นักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน Picower Institute for Learning and Memory ที่ MIT ได้ใช้วิธีการทางกล้องจุลทรรศน์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ สังเกตว่าเซลล์ประสาทของทารกแรกเกิดพยายามดิ้นรนเพื่อไปยังตำแหน่งที่เหมาะสมในรูปแบบเนื้อเยื่อสมองขั้นสูงของมนุษย์ที่เป็นโรค Rett ทำให้เกิดความเข้าใจใหม่ว่าสมองของผู้ป่วยมีพัฒนาการบกพร่องอย่างไร กับความผิดปกติร้ายแรงอาจเกิดขึ้น
Rett syndrome ซึ่งมีลักษณะอาการต่างๆ ซึ่งรวมถึงความบกพร่องทางสติปัญญาขั้นรุนแรงและพฤติกรรมทางสังคมที่บกพร่อง เกิดจากการกลายพันธุ์ในยีน MECP2 นักวิจัยในห้องทดลองของ Mriganka Surศาสตราจารย์ด้านประสาทวิทยาของนิวตันในภาควิชาสมองและความรู้ความเข้าใจของ MIT ได้พัฒนาเซลล์ 3 มิติที่เรียกว่า cerebral organoids หรือ minibrains เพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ว่าการกลายพันธุ์ส่งผลต่อระยะเริ่มต้นของการพัฒนาสมองของมนุษย์ อย่างไร เซลล์จากผู้ที่มีการกลายพันธุ์ของ MECP2 และเปรียบเทียบกับวัฒนธรรมที่เหมือนกันโดยไม่มีการกลายพันธุ์ จากนั้นทีมที่นำโดย postdoc Murat Yildirim ได้ตรวจสอบการพัฒนาของ minibrain แต่ละประเภทโดยใช้เทคโนโลยีการถ่ายภาพขั้นสูงที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์สามโฟตอนรุ่นที่สาม (THG)
THG ซึ่ง Yildirim ได้ช่วยบุกเบิกในห้องปฏิบัติการของ Sur ที่ทำงานร่วมกับศาสตราจารย์ Peter So วิศวกรรมเครื่องกลของ MIT ช่วยให้สามารถถ่ายภาพที่มีความละเอียดสูงได้ลึกเข้าไปในเนื้อเยื่อที่มีชีวิตและไม่บุบสลายโดยไม่ต้องเติมสารเคมีใดๆ ลงในเซลล์ที่ติดฉลาก การศึกษาใหม่ซึ่งตีพิมพ์ในeLifeเป็นครั้งแรกที่ใช้ THG เพื่อสร้างภาพออร์กานอยด์ โดยปล่อยให้พวกมันไม่ถูกรบกวนอย่างแท้จริง Yildirim กล่าว การศึกษาเกี่ยวกับภาพออร์แกนอยด์ก่อนหน้านี้จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีที่ไม่สามารถสร้างภาพผ่านเนื้อเยื่อ 3 มิติได้ทั้งหมด หรือวิธีการที่จำเป็นต้องฆ่าวัฒนธรรม ไม่ว่าจะเป็นการหั่นเป็นชิ้นบาง ๆ หรือล้างสารเคมีและติดฉลาก
กล้องจุลทรรศน์สามโฟตอนใช้เลเซอร์ แต่ Yildirim และ So กำหนดเองได้ออกแบบกล้องจุลทรรศน์ของห้องปฏิบัติการเพื่อไม่ให้ใช้พลังงานกับเนื้อเยื่อมากไปกว่าตัวชี้เลเซอร์ของเล่นแมว (น้อยกว่า 5 มิลลิวัตต์)
“คุณควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณไม่ได้เปลี่ยนแปลงหรือส่งผลกระทบต่อสรีรวิทยาของเส้นประสาทในทางที่ไม่พึงประสงค์” Yildirim กล่าว “คุณควรเก็บทุกอย่างไว้ไม่เสียหายจริง ๆ และให้แน่ใจว่าคุณไม่ได้นำสิ่งภายนอกที่อาจสร้างความเสียหาย นั่นเป็นเหตุผลที่เราระมัดระวังเกี่ยวกับพลังงาน (และการติดฉลากสารเคมี)”
แม้จะใช้พลังงานต่ำ แต่ก็ได้รับสัญญาณที่เพียงพอเพื่อให้ได้ภาพออร์แกนอยด์ที่อยู่กับที่และมีชีวิตโดยปราศจากฉลาก เพื่อตรวจสอบว่าพวกเขาเปรียบเทียบภาพ THG กับภาพที่ผลิตโดยวิธีการติดฉลากทางเคมีแบบเดิม
ระบบ THG ช่วยให้พวกเขาติดตามการย้ายถิ่นของเซลล์ประสาทแรกเกิดขณะที่พวกมันเดินทางจากขอบรอบพื้นที่เปิดใน minibrains (เรียกว่า ventricles) ไปยังขอบด้านนอก ซึ่งคล้ายกับเปลือกนอกของสมองโดยตรง พวกเขาเห็นว่าเซลล์ประสาทที่เพิ่งตั้งไข่ในกลุ่มอาการ Rett ของ minibrains เคลื่อนที่ช้าและอยู่ในเส้นทางที่คดเคี้ยวเมื่อเทียบกับการเคลื่อนไหวที่เร็วกว่าในเส้นตรงที่แสดงโดยเซลล์ประเภทเดียวกันใน minibrains ที่ไม่มีการกลายพันธุ์ของ MECP2 Sur กล่าวว่าผลที่ตามมาของการขาดดุลการอพยพดังกล่าวสอดคล้องกับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์รวมทั้งในห้องทดลองของเขาได้ตั้งสมมติฐานว่าเกิดขึ้นในทารกในครรภ์ที่มีอาการ Rett
“เรารู้จากสมองหลังชันสูตรพลิกศพและวิธีการสร้างภาพสมองว่าสิ่งต่าง ๆ ผิดพลาดในระหว่างการพัฒนาสมองในกลุ่มอาการ Rett แต่เป็นเรื่องยากอย่างน่าประหลาดใจที่จะเข้าใจว่าทำไมและทำไม” Sur ผู้กำกับ Simons Center for the Social Brain ที่ MIT กล่าว “วิธีนี้ช่วยให้เราเห็นภาพผู้สนับสนุนหลักได้โดยตรง” THG แสดงภาพเนื้อเยื่อที่ไม่มีฉลาก เนื่องจากมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงของวัสดุมาก Yildirim กล่าว ดังนั้นจึงแก้ไขขอบเขตระหว่างโครงสร้างทางชีวภาพ เช่น หลอดเลือด เยื่อหุ้มเซลล์ และช่องว่างนอกเซลล์ เนื่องจากรูปร่างของระบบประสาทเปลี่ยนแปลงไปในระหว่างการพัฒนา ทีมงานจึงสามารถเห็นเส้นแบ่งระหว่างโซนหัวใจห้องล่าง (บริเวณรอบโพรงที่เซลล์ประสาทแรกเกิดเกิด) และแผ่นเปลือกสมอง (บริเวณที่เซลล์ประสาทที่โตเต็มที่) ได้อย่างชัดเจน
การถ่ายภาพขั้นสูงของออร์แกนอยด์กลุ่มอาการเรตต์
คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้นักวิจัยสามารถเห็นได้ว่าในออร์แกนอยด์กลุ่มอาการ Rett โพรงมีขนาดใหญ่ขึ้นและมีจำนวนมากขึ้น และบริเวณที่มีกระเป๋าหน้าท้อง – ขอบรอบโพรงที่เกิดเซลล์ประสาทนั้นบางลง ในออร์แกนอยด์ที่มีชีวิต พวกเขาสามารถติดตามเซลล์ประสาทบางเซลล์ที่ไปถึงเยื่อหุ้มสมองภายในสองสามวัน โดยถ่ายภาพใหม่ทุกๆ 20 นาที เนื่องจากเซลล์ประสาทในสมองที่กำลังพัฒนาจริงก็พยายามจะทำเช่นกัน พวกเขาเห็นว่าเซลล์ประสาท Rett syndrome มีความเร็วเพียงสองในสามของเซลล์ประสาทที่ไม่กลายพันธุ์ เส้นทางของเซลล์ประสาท Rett ก็สั่นคลอนมากขึ้นเช่นกัน ความแตกต่างทั้งสองรวมกันหมายความว่าเซลล์ Rett แทบไม่เหลือเพียงครึ่งเดียว
“ตอนนี้เราต้องการทราบว่า MECP2 มีอิทธิพลต่อยีนและโมเลกุลที่ส่งผลต่อการย้ายถิ่นของเส้นประสาทอย่างไร” Sur กล่าว “โดยการตรวจคัดกรองอวัยวะกลุ่มอาการ Rett เรามีการคาดเดาที่ดีซึ่งเรากระตือรือร้นที่จะทดสอบ” Yildirim ซึ่งจะเปิดตัวห้องปฏิบัติการของตัวเองในฐานะผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่สถาบันวิจัย Lerner ของคลีฟแลนด์คลินิกในเดือนกันยายน กล่าวว่าเขามีคำถามใหม่จากการค้นพบนี้ เขาต้องการนึกภาพในการพัฒนาสารอินทรีย์ในภายหลังเพื่อติดตามผลที่ตามมาของการอพยพที่วุ่นวาย นอกจากนี้ เขายังต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมว่าเซลล์บางชนิดมีปัญหาในการโยกย้ายมากหรือน้อย ซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงวิธีการทำงานของวงจรเยื่อหุ้มสมอง
Yildirim ยังกล่าวอีกว่าเขาหวังที่จะพัฒนากล้องจุลทรรศน์แบบสามโฟตอนของ THG ต่อไป ซึ่งเขาเห็นว่ามีศักยภาพในการถ่ายภาพที่ละเอียดในมนุษย์ อาจเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญในมนุษย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธีการถ่ายภาพสามารถเจาะลึกเข้าไปในเนื้อเยื่อที่มีชีวิตได้โดยไม่ต้องใช้ฉลากเทียม
นอกจาก Yildirim, Sur และ So แล้ว ผู้เขียนคนอื่นๆ ของบทความนี้ ได้แก่ Chloe Delepine, Danielle Feldman, Vincent Pham, Stephanie Chou, Jacque Pak Kan Ip, Alexi Nott, Li-Huei Tsai และ Guo-li Ming
สถาบันสุขภาพแห่งชาติ มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ มูลนิธิ JPB และโครงการริเริ่มด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพแห่งแมสซาชูเซตส์ ได้ให้ทุนสนับสนุนการวิจัย
