新しい光音響プローブ、脳深部組織イメージングを可能に

September, 5, 2024, Barcelona--EMBL(European Molecular Biology Laboratory)によると、新しい光音響プローブは、脳深部組織のイメージングを可能にし、ニューロンの活動を報告し、脳機能の理解を深める可能性を秘めている。

概要
・神経科学者は、脳の機能をより深く理解しようと努めてきたが、脳の深部でニューロンの活動を観察する能力が欠けていた。
・EMBLの科学者たちは、合理的な分子工学を応用して、脳組織の深部でニューロンを標識し視覚化するために使用できる光音響プローブを開発した。
・このイメージングアプローチは、神経科学者が従来の光学顕微鏡で見ることができたものを大幅に拡張し、深部ニューロンの活動を報告し、脳機能をよりよく理解する可能性を提供する。
・この研究は、脳機能の理解を大幅に向上させる可能性のある動的観察ツールの原理を初めて証明するものである。

脳をよりよく理解するためには、その活動を観察するための新しい方法が必要になる。

これが、2つのEMBL研究グループが主導する分子工学プロジェクトの核心であり、神経科学アプリケーション向けの光音響プローブを作成するための新しいアプローチをもたらした。この研究成果は、Journal of the American Chemical Society誌に掲載された。

「光音響学は、マウスの脳全体の画像をキャプチャする方法を提供するが、ニューロンの活動を視覚化するための適切なプローブが欠けていた」と、EMBLグループのリーダー、この論文の上級著者であるRobert Prevedelはコメントしている。

この技術的な課題を克服するために、同氏は別のEMBLグループのリーダーであり、論文の上級著者でもあるClaire Deoと協力した。両者のチームは化学工学を専門としている。

「われわれは、カスタマイズされた光音響顕微鏡で検出できるほど明るいプローブを使用して、特定の脳領域のニューロンを実際に標識できることを示すことができた」(Prevedel)。

科学者は、イオンや生体分子などの特定の化学物質を追跡することで、生物学的プロセスについて詳しく知ることができる。光音響プローブは、検出が困難な化学物質に特異的に結合することにより、検出が困難な化学物質の「レポータ」として機能する。その後、プローブはレーザによって励起された光を吸収し、特殊なイメージング機器で検出できる音波を放出できる。しかし、神経科学への応用については、これまで研究者は、光音響学に合わせた脳機能を視覚化できる標的レポータを設計することができなかった。

研究者たちは、神経細胞の活動の光音響レポータとして合成色素を使用する実験を行ってきたが、色素がどこに行き、何をラベル付けするかを制御することは困難だった。タンパク質は、特定の分子をタグ付けするためのプローブとして特に有用だが、脳全体の神経活動を監視するための効果的な光音響プローブにはまだ至っていない。

「われわれの場合、これらのセンサの両方の長所を引き出し、タンパク質と合理的に設計された合成色素を組み合わせて、特定の関心領域のニューロンを標識して視覚化できるようになった」と、この研究の筆頭著者、Deoグループの博士前研究員であるAlexander Cookは話している。合理的設計アプローチでは、研究者は既存の知識と原理を使用して、ランダムな化合物を盲目的に作成してテストするのではなく、目的の特性を持つ分子を構築する。「また、われわれは単に静的な観察について話しているのではなく、このプローブは、ニューロン活動のマーカーであるカルシウムに対する可逆的で動的な応答を示している」とCookは付け加えた。

Deoによると、この技術開発には重要な課題が立ちはだかっていた。光音響プローブは広く研究されていないため、研究チームは自分たちが構築しているプローブを評価する方法がなかった。

その結果、このプロジェクトは、研究の共著者であり、Prevedel Groupの博士前研究員、Nikita Kaydanovによって開始された。「試験管やキュベット内のプローブの光音響信号を測定できる商用セットアップはなかったため、構築する必要があった。われわれは、プローブを評価して最適化するために、独自の光音響分光計を作成した」(Kaydanov)。

「これにより、いくつかのことを評価するために行った様々なプローブを評価し、特徴付けることができた。それらは検出可能な光音響信号を発したか。十分に敏感であるか。そうやって、次のステップを推測したのである」(Deo)。

しかし、研究チームは、バイアル内で機能するプローブを製造するだけに立ち止まりたくなかった。次に、プローブが実際にどのように機能するかを確認したいと考えた。チームは、プローブをマウスの脳に送達する方法を見つけ出し、標的脳領域内のニューロンからの光音響信号を検出することに成功した。

「われわれは進歩を喜んでいるが、これはこれらのプローブの第一世代にすぎないことを明確にする必要がある。非常に有望なアプローチではあるが、やるべきことはまだたくさんある。しかし、このシステムが何を可能にするのか、そして脳機能をよりよく理解する上でどのような可能性を秘めているのかを示す最初の良いデモンストレーションである」とDeoは話している。

実際、次のステップには、色素送達システムの改善と、それらを細胞内の動的イメージングに使用する能力の確認が含まれる。

「EMBLの利点の1つは、様々な種類の専門知識を持つ多くの人々が集まることだ。われわれはそれぞれ独自の方法で開発者である。私のグループは機器化に多く取り組み、Claireのグループは分子ツールに多く取り組んでいる。さらに、これを神経科学者がツールを真にテストすることと組み合わせると、EMBLでしか可能ではない、特別でユニークな研究方法なのである」とPrevedelはコメントしている。