Новый метод 3D-сверхразрешающей визуализации проливает свет на болезнь Альцгеймера

Исследования показывают, что 40% американцев старше 85 лет страдают болезнью Альцгеймера, которая начинается за 10–20 лет до появления заметных проблем с памятью.

Одна из главных проблем в понимании болезни — невозможность четко увидеть, почему она начинается. Новый «наноскоп» сверхвысокого разрешения, разработанный в Университете Пердью, обеспечивает 3D-визуализацию молекул мозга с детализацией в 10 раз выше. Этот метод может помочь раскрыть механизмы прогрессирования болезни и найти точки для вмешательства новых методов лечения.

Инструмент помог исследователям из Университета Индианы лучше понять структуру бляшек, образующихся в мозге пациентов, и определить характеристики, которые, возможно, ответственны за повреждения. Результаты опубликованы в журнале Nature Methods.

Задолго до развития болезни Альцгеймера в мозге накапливаются восковидные отложения — амилоидные бляшки. Эти скопления взаимодействуют с окружающими клетками, вызывая воспаление, которое разрушает нейроны и приводит к проблемам с памятью. Отложение этих бляшек — самый ранний обнаруживаемый признак патологических изменений, ведущих к болезни.

«Хотя в обозримом будущем это строго исследовательский инструмент, данная технология позволила нам увидеть, как бляшки собираются и видоизменяются в ходе болезни. Это дает понимание биологических причин заболевания, чтобы мы могли попытаться остановить формирование этих повреждающих структур в мозге», — говорит Гэри Лэндрет, профессор анатомии и клеточной биологии Института нейронаук Старка при Медицинской школе Университета Индианы.

Ограниченное разрешение обычных световых микроскопов и естественная толщина ткани мозга не позволяли четко наблюдать 3D-морфологию амилоидных бляшек и их взаимодействие с другими клетками.

«Ткань мозга особенно сложна для визуализации с разрешением на уровне одной молекулы, потому что она плотно упакована внеклеточными и внутриклеточными компонентами, которые искажают и рассеивают свет — наш источник информации о молекулах. Можно заглянуть глубоко в ткань, но изображение будет размытым», — поясняет Фан Хуан, доцент биомедицинской инженерии в Университете Пердью.

Разработанные ранее командой Хуана наноскопы сверхвысокого разрешения для визуализации клеток, бактерий и вирусов используют адаптивную оптику — деформируемые зеркала, которые меняют форму, чтобы компенсировать искажения света (аберрации), возникающие, когда световые сигналы от отдельных молекул проходят через разные участки клеточных или тканевых структур с разной скоростью.

Для решения проблемы с тканью мозга команда разработала новые методы, которые корректируют зеркала в зависимости от глубины образца, чтобы компенсировать аберрации, вносимые тканью. Одновременно эти методы намеренно вводят дополнительную аберрацию, чтобы сохранить позиционную информацию, которую несет одиночная молекула.

Наноскоп воссоздает всю ткань, ее клетки и клеточные компоненты с разрешением в 6–10 раз выше, чем у обычных микроскопов. Это позволяет четко видеть 30-микронные срезы лобной коры мозга мыши. Исследователи использовали генетически модифицированных мышей, у которых развиваются характерные для болезни Альцгеймера бляшки.

3D-реконструкции показали, что амилоидные бляшки похожи на клубки волос, которые своими тонкими ответвляющимися от восковидных отложений волокнами опутывают окружающую ткань.

«Теперь мы видим, что именно здесь происходит повреждение мозга. Мышь дает нам подтверждение, что мы можем применить этот метод визуализации к человеческой ткани», — отмечает Лэндрет.

Совместная работа уже начата по использованию наноскопа для наблюдения за амилоидными бляшками в образцах мозга человека, а также для более пристального изучения их взаимодействия с другими клетками и изменений с течением времени.

«Это достижение особенно важно, поскольку достижение высокого разрешения в тканях было весьма сложной задачей. Мы надеемся, что эта техника поможет углубить понимание других вопросов, связанных с болезнями, таких как болезнь Паркинсона, рассеянный склероз и другие неврологические заболевания», — говорит Фан Хуан.