Les ingénieurs du MIT ont développé une méthode révolutionnaire basée sur l'IRM pour détecter la bioluminescence dans le cerveau, permettant une imagerie précise des structures cérébrales profondes et améliorant la compréhension des fonctions cérébrales et de l'expression des gènes. (Concept de l'artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Une nouvelle technique d'IRM développée à MIT permet une imagerie détaillée de la bioluminescence au plus profond du cerveau, offrant ainsi de nouvelles informations sur la façon dont les cellules cérébrales se développent et communiquent entre elles.
Les scientifiques étiquettent souvent les cellules avec des protéines qui brillent, ce qui leur permet de suivre la croissance d'une tumeur ou de mesurer les changements dans l'expression des gènes qui se produisent à mesure que les cellules se différencient.
Bien que cette technique fonctionne bien dans les cellules et certains tissus du corps, il a été difficile de l'appliquer à des structures d'image situées profondément dans le cerveau, car la lumière se disperse trop avant de pouvoir être détectée.
Les ingénieurs du MIT ont désormais mis au point une nouvelle façon de détecter ce type de lumière, appelé bioluminescence, dans le cerveau : ils ont conçu les vaisseaux sanguins du cerveau pour qu'ils expriment une protéine qui les amène à se dilater en présence de lumière. Cette dilatation peut ensuite être observée par imagerie par résonance magnétique (IRM), permettant aux chercheurs de localiser la source de lumière.
« Un problème bien connu auquel nous sommes confrontés en neurosciences, ainsi que dans d'autres domaines, est qu'il est très difficile d'utiliser des outils optiques dans les tissus profonds. L’un des principaux objectifs de notre étude était de trouver un moyen d’imager des molécules bioluminescentes dans les tissus profonds avec une résolution raisonnablement élevée », explique Alan Jasanoff, professeur de génie biologique, de sciences du cerveau et cognitives, ainsi que de sciences et d’ingénierie nucléaires au MIT.
La nouvelle technique développée par Jasanoff et ses collègues pourrait permettre aux chercheurs d’explorer le fonctionnement interne du cerveau plus en détail qu’auparavant.
Jasanoff, qui est également chercheur associé au McGovern Institute for Brain Research du MIT, est l'auteur principal de l'étude, qui paraît aujourd'hui (10 mai) dans Génie biomédical naturel. Les anciens postdoctorants du MIT, Robert Ohlendorf et Nan Li, sont les principaux auteurs de l'article.
Une nouvelle façon de détecter la bioluminescence dans le cerveau utilise l’imagerie par résonance magnétique (IRM). La technique, développée au MIT, pourrait permettre aux chercheurs d’explorer le fonctionnement interne du cerveau de manière plus détaillée qu’auparavant. Sur la photo, des vaisseaux sanguins qui apparaissent maintenant en rouge vif après transduction avec un gène qui leur confère une photosensibilité. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Détection de la lumière
Les protéines bioluminescentes se trouvent dans de nombreux organismes, notamment les méduses et les lucioles. Les scientifiques utilisent ces protéines pour marquer des protéines ou des cellules spécifiques, dont la lueur peut être détectée par un luminomètre. L’une des protéines souvent utilisées à cette fin est la luciférase, qui se présente sous diverses formes et brille de différentes couleurs.
Le laboratoire de Jasanoff, spécialisé dans le développement de nouvelles méthodes d'imagerie du cerveau par IRM, souhaitait trouver un moyen de détecter la luciférase au plus profond du cerveau. Pour y parvenir, ils ont mis au point une méthode permettant de transformer les vaisseaux sanguins du cerveau en détecteurs de lumière. Une forme populaire d'IRM fonctionne en visualisant les changements dans le flux sanguin dans le cerveau. Les chercheurs ont donc conçu les vaisseaux sanguins eux-mêmes pour qu'ils réagissent à la lumière en se dilatant.
« Les vaisseaux sanguins sont une source dominante de contraste d'imagerie dans l'IRM fonctionnelle et d'autres techniques d'imagerie non invasives. Nous avons donc pensé que nous pourrions convertir la capacité intrinsèque de ces techniques à imager les vaisseaux sanguins en un moyen d'imagerie de la lumière, en photosensibilisant les vaisseaux sanguins eux-mêmes. « , dit Jasanoff.
Pour rendre les vaisseaux sanguins sensibles à la lumière, le chercheur les a modifiés pour qu'ils expriment une protéine bactérienne appelée Beggiatoa adénylate cyclase photoactivée (bPAC). Lorsqu’elle est exposée à la lumière, cette enzyme produit une molécule appelée AMPc, qui provoque la dilatation des vaisseaux sanguins. Lorsque les vaisseaux sanguins se dilatent, cela modifie l’équilibre de l’hémoglobine oxygénée et désoxygénée, qui ont des propriétés magnétiques différentes. Ce changement dans les propriétés magnétiques peut être détecté par IRM.
Le BPAC répond spécifiquement à la lumière bleue, qui a une courte longueur d’onde, de sorte qu’il détecte la lumière générée à courte distance. Les chercheurs ont utilisé un vecteur viral pour transmettre le gène du bPAC spécifiquement aux cellules musculaires lisses qui composent les vaisseaux sanguins. Lorsque ce vecteur a été injecté à des rats, les vaisseaux sanguins d’une grande partie du cerveau sont devenus sensibles à la lumière.
« Les vaisseaux sanguins forment dans le cerveau un réseau extrêmement dense. Chaque cellule du cerveau se trouve à quelques dizaines de microns d’un vaisseau sanguin », explique Jasanoff. « La façon dont j'aime décrire notre approche est que nous transformons essentiellement le système vasculaire du cerveau en une caméra tridimensionnelle. »
Une fois les vaisseaux sanguins sensibilisés à la lumière, les chercheurs ont implanté des cellules conçues pour exprimer la luciférase si un substrat appelé CZT est présent. Chez les rats, les chercheurs ont pu détecter la luciférase en imagerie du cerveau par IRM, qui a révélé des vaisseaux sanguins dilatés.
Suivre les changements dans le cerveau
Les chercheurs ont ensuite testé si leur technique pouvait détecter la lumière produite par les propres cellules du cerveau, si elles étaient conçues pour exprimer la luciférase. Ils ont transmis le gène d'un type de luciférase appelé GLuc aux cellules d'une région profonde du cerveau connue sous le nom de striatum. Lorsque le substrat CZT a été injecté aux animaux, l’imagerie IRM a révélé les sites où la lumière avait été émise.
Cette technique, que les chercheurs ont baptisée imagerie de bioluminescence utilisant l'hémodynamique, ou BLUsH, pourrait être utilisée de diverses manières pour aider les scientifiques à en apprendre davantage sur le cerveau, explique Jasanoff.
D’une part, il pourrait être utilisé pour cartographier les changements dans l’expression des gènes, en liant l’expression de la luciférase à un gène spécifique. Cela pourrait aider les chercheurs à observer comment l’expression des gènes change au cours du développement embryonnaire et de la différenciation cellulaire, ou lorsque de nouveaux souvenirs se forment. La luciférase pourrait également être utilisée pour cartographier les connexions anatomiques entre les cellules ou pour révéler comment les cellules communiquent entre elles.
Les chercheurs prévoient désormais d’explorer certaines de ces applications, ainsi que d’adapter la technique pour l’utiliser chez la souris et d’autres modèles animaux.
La recherche a été financée par les États-Unis Instituts nationaux de la santéla Fondation G. Harold et Leila Y. Mathers, Lore McGovern, Gardner Hendrie, Brendan Fikes, une bourse de la Fondation allemande pour la recherche, une bourse Marie Sklodowska-Curie de l'Union européenne et une bourse Y. Eva Tan et une bourse J . Douglas Tan Fellowship, tous deux du McGovern Institute for Brain Research.
