Képalkotó eljárásokkal a kísérletek sikeréért

2020. szeptember 17.

Az egyik első elektrofiziológus, az olasz Galvani nevezetes békacombos kísérlete (1780) óta tudjuk, hogy az idegek árammal ingerelhetők. Ez történik Parkinson-kóros betegek esetében is, akiknek életminőségét sok esetben nagyságrendekkel javíthatja, ha ún. mélyagyi stimulációt (Deep Brain Stimulation, DBS) alkalmaznak, amihez a betegek agyába kell beültetni azt a bizonyos mélyagyi stimulációs eszközt. Ennek pontos elhelyezését képalkotó technikák - CT és MRI - is segítik, hiszen egyáltalán nem mindegy, milyen idegsejteket ingerlünk.
Mivel agyunk normális és kóros működését még koránt sem tártuk fel kellő részletességgel, és újabb sikeres gyógymódok felfedezése érdekében is, további elektrofiziológiás kísérletekre van szükség. Az egyik leggyakoribb és erre alkalmas kísérleti állatunk az egér, agyának az emberéhez képest sokkal kisebb mérete azonban nagy kihívás elé állította a kutatókat. Az egyik lehetőség a Király Bálint, Hangya Balázs, Szigeti Krisztián, Máthé Domokos és munkatársaik által megalkotott új eljárás lehet, melyet a nyílt hozzáférésű (Open Access) Nature Communications lap hasábjain mutattak be.

Erről a szép sikerről, pontosabban az idáig vezető útról beszélgettünk Hangya Balázzsal, a cikk levelező szerzőjével, intézetünk (Lendület) Rendszer-Neuro-biológia csoportjának vezetőjével, és Király Bálinttal, az első szerzővel, aki Balázs csoportjában dolgozik, az ELTE TTK Fizika Doktori Iskola hallgatója (belső konzulense Szöllősi Gergely evolúciógenetikus), és korábban a Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetének volt munkatársa.

- Mint azt a megjelent munka rövid összefoglalásában írjátok is, tulajdonképpen a humán vizsgálatokban alkalmazott eljárást alkalmaztátok egérre. Aki azonban egy kicsit is tudja, mit jelent egy cikket a Nature Communications-ben elfogadtatni, az biztos abban, hogy ez az "adaptálás" egyáltalán nem lehetett egyszerű.

Balázs:

- Valóban, a humán mélyagyi stimulációs (deep brain stimulation, DBS) beültetések során alkalmazott CT-MRI fúziós technika adta az egyik fő inspirációt. Általában az irány fordított: az állatkísérletek felől haladunk a humán felé, és talán ezért sem sokan gondoltak eddig arra, hogy rágcsálókban alkalmazzák a technikát.

- Hogyan fordulhatott elő, hogy erre a megoldásra eddig mások nem gondoltak?

- Azért ez akijelentés így nem teljesen igaz, mert van egy kutatócsoport, mely patkányokban tudott már in vivo lokalizációt bemutatni, jóval alacsonyabb fel-bontással.

- Egér esetében mi jelenti a legfőbb nehézséget a feladat végrahajtásában?

- Különböző tudásokat kell ötvözni: a strukturális kisállat CT - MRI ismereteket összehozni a neurofiziológiai módszerek alapos ismeretével. Itt jött a képbe Bálint, aki korábban CT és MRI technikákkal foglalkozott, és fizikus végzettsége meghatározó volt a projektben.
Az egér agy kisebb méretei miatt sokkal jobb felbontású képre van szükség, mint pl. akár csak patkány agy esetében is, de ezt úgy kell elérni, hogy közben a sugárterhelés a biztonságos szint alatt maradjon. Ez így eddig csak Bálintnak sikerült. Ráadásul azt is bemutatta, hogy optikai szálak in vivo lokalizálása is lehetséges, ami az optogenetikai és más új optikai módszerek szempontjából is nagyon hasznos.

- Hogyan kezdtetek el ezen a problémán gondolkodni?

- Az elképzelés, hogy elektródákat strukturális képalkotó eljárásokkal lokalizáljunk beültetés után, természetesen nem új, viszont a megfelelő tech-nológia kidolgozása messze nem volt triviális. Ehhez volt szükség Bálint szakértelmére, és a Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetével való szoros együttműködésre. Horváth Ildikó szakasszisztens, Szigeti Krisztián és Máthé Domokos vezető kutatók munkája és hozzáértése elengedhetetlen volt a projekt sikeréhez.
A mérések későbbi fázisában a Mediso Kft. két munkatársa, Bagaméry Gergő és Babos Magor is segítették a méréseket. A laborunkból Balázsfi Dia, Nicola Solari, Sviatkó Kati és Birtalan Eszter az implantátumok beültetésében és az egerek tanításában vettek részt. Lengyel Kati szerepét is szeretném kiemelni, mert ebben a munkában nagyon fontos volt a legmagasabb minőségű szövettani feldolgozás.

- És ki volt az, aki azt javasolta, próbálkozzatok meg ezzel a megoldással ?

- Korábban beszéltünk erről postdoc témavezetőmmel, Kepecs Ádámmal, is de akkor még naivan azt gondoltuk, hogy egy egyszerű röntgenkészülék meg-oldhatja a problémát. Bálint ettől függetlenül állt elő az elképzeléssel.

- Mi volt a legnehezebb feladat, a legnagyobb kihívás?

- Olyan jó felbontást kellett elérnünk, ami az egészen vékony, néhány 10 mikrométer, az idegsejtek sejttest átmérőjénél alig nagyobb átmérőjű elektródákat is, megbízhatóan láthatóvá teszi. Legtöbbször úgy lehet növelni a felbontást, ha növeljük a sugárdózist, de ennek természetesen élő szövet esetén szigorú korlátai vannak. Bálintnak számos paramétert kellett optimalizálnia, hogy a lehetőségek szerinti minimális besugárzással érje el a kellő felbontást.


Az egéragy háromdimenziós MRI képe

- A cikkben azt írjátok, "módszeretek az elektródok elhelyezésének pontosságát is növeli", majd rögtön utána azt, hogy "a behelyezés után el lehet dönteni, az eljárás sikeres volt-e vagy nem". Elmagyaráznátok ezt a számomra ellentmondónak tűnő két kijelentést?

Bálint:

- Általában olyan elektródokat használunk/építünk, amelyekkel a mélység a műtétet követően is változtatható. Ez azért is fontos, hogy egy állatból több mélységben is tudjunk különböző sejteket mérni. Így, ha a módszerrel megállapítottuk az elektróda helyét és irányát, ki tudjuk számítani az agyszövetben azt a pályát, ahol mélyebbre megyünk. Amennyiben a beültetés sikeresnek bizonyult, be tudjuk állítani azt mélységet, ahol érdemes elkezdeni a méréseket. A módszer indirekt módon is növelheti a beültetési pontosságot, mert közvetlen, részletes és háromdimenziós visszajelzést ad a sebésznek, és így segíthet elkerülni a szisztematikus hibákat.

- Az elektróda elhelyezése/beültetése hosszabb vagy rövidebb időbe kerül, ha valaki ezt az eljárást alkalmazza, mint a hagyományos eljárás esetében?

- Magának a műtétnek a menetét lényegében nem befolyásolja a módszer. A hatékonyságot azonban a műtét utáni kísérleti munka optimalizálásával növeli.

- És mennyire növeli meg a CT- MRI alkalmazása a költséget, ill. hány állat esetében térül már ez biztosan meg?

- Erre nem lehet egzakt választ adni, mert attól függ, hogy milyen komplexitású a kísérlet, mennyi a befektetett munka állatonként, vagyis mennyire nehéz a műtét. Ennek nehézségét befolyásolja, hogy mekkora és hol van a célterület, vannak-e védendő területek, pl. erek az utunkban, mennyi és milyen típusú implantátumot akarunk beültetni és hány célterületre, ezen kívül az is, milyen hosszú és milyen komplexitású kísérleteket akarunk végezni a beültetéseket követően. A mi laborunkban nem ritka, hogy 2-4 hónapon keresztül dolgozzunk napi 2-3 órát egy-egy állatnak a kísérleteivel és az adatok elemzésével. A mi kísérleteink esetében ez a költség, illetve a befektetett idő eltörpül a nyereséghez képest. A cikkhez végeztünk egy számítást is, melynek alapján ez Balázs egyik korábbi munkájánál 750 munkaórát jelentett volna!

- Mit gondoltok, mások, akik hasonló in vivo fiziológiás kísérleteket végeznek, mennyire férhetnek hozzá általában CT /MRI készülékekhez ? Magyarul: ez a módszer sokak vagy csak nagyon kevesek, a "leggazdagabbak" számára segítség?

- Ez a kérdés a cikk bírálása során is felmerült, hiszen valószínűleg kevés idegtudományi kutatóintézet rendelkezik micro-CT-vel, habár a nagyobb költségű MRI eszközök telepítését a funkcionális mérések ma már sok helyen szükségessé tették. Azonban arra az esetre is kidolgoztunk módszereket, ha a két eszköz közül csak az egyik elérhető.
Emellett a cikk kapcsán kisebb kutatást is végeztünk, és kiderítettük, hogy az orvosi és biológia tudományok területén meghatározó angol és amerikai egyetemek többségénél elérhetők ilyen eszközök. Ez ráadásul a magyar orvosi egyetemek vonatkozásában is igaz. Együttműködések segítségével, ahogyan mi is tettük a Semmelweis Egyetemmel, nem rossz a lefedettség.

- A bírálók kiemelték, hogy CT-MRI adataitok megosztásával lehetőséget biztosítottak más kutatóknak arra is, hogy egérben pl. agyterületek morfológiájának egyéni variációit vizsgálhassák. Más kisállatra-kísérleti állatra kidolgozni hasonló módszert ugyanekkora teljesítmény lenne és esetleg meg se érné?

- Általánosságban azt mondhatjuk, hogy minél kisebb élőlényről van szó, annál nagyobb kihívást jelent megfelelő minőségű képeket készíteni, tehát nagyobb kísérleti állatoknál lényegesen könnyebb lehet a feladat. Ezzel párhuzamosan, a magasabb rendű állatoknál jellemzően nagyon nagy az állatonkénti befektetett munka, tehát nagyon nagy a haszna minden olyan megoldásnak, ami a hatékonyságot növeli. Erre majmok esetében vannak is már próbálkozások.

Forgókép

Bálint Király, Diána Balázsfi, Ildikó Horváth, Nicola Solari, Katalin Sviatkó, Katalin Lengyel,Eszter Birtalan, Magor Babos, Gergő Bagaméry, Domokos Máthé, Krisztián Szigeti & Balázs Hangya: In vivo localization of chronically implanted electrodes and optic fibers in mice.
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18472-y