Il cervello trasparente: nuova tecnica di indagine per rendere trasparenti i tessuti, dalla Stanford University

La ricerca sui metodi di indagine del cervello  continua ininterrotta. Uno dei traguardi più ambiti è quello di rendere trasparente un tessuto biologico, e quindi anche un cervello, per evidenziarne struttura e connessioni senza doverlo sezionare, ma mantenendolo nella sua interezza.

I bioingegneri della Stanford University hanno messo a punto un sistema per rendere trasparente il cervello di un mammifero, in questo caso di topo, utilizzando un procedimento chiamato CLARITY.

Recentemente era stata registrata l'attività neurale del cervello di un embrione di pesce zebra, utilizzando la marcatura fluorescente e la microscopia a foglio di luce (light sheet microscopy) [vedi  l'articolo di Annarita Ruberto su Scientificando Mappata Per La Prima Volta L'Attivita' Cerebrale Di Un Vertebrato]. In questo caso, invece,  si tratta di rendere trasparente un cervello, di un animale sacrificato,  per poterlo studiare.

Si tratta, nello specifico,  di un procedimento di rimozione degli elementi opachi di un tessuto biologico, soprattutto i lipidi, senza alterare la struttura del reperto. I lipidi, infatti, come afferma Andrew Myers della Scuola di Ingegneria della Stanford, pongono due grandi problemi ai ricercatori, per la loro impermeabilità sia alla luce che a molti elementi chimici. Per questo è importante riuscire a estrarli, per far sì che la luce riesca a raggiungere i tessuti in profondità. Ma, una volta rimossa la componente lipidica, si presenta un altro problema: i tessuti, in cui i lipidi hanno un ruolo fondamentale, una volta rimossi i grassi cominciano a collassare.

L'approccio di  CLARITY è diverso da quelli solitamente impiegati, che tendono più che altro ad assottigliare il più possibile le fette di tessuto o a usare procedure che facilitino l'ingresso della luce. Il procedimento studiato da Karl Deisseroth e dal suo team affronta il problema da un'altra prospettiva, usando l'ingegneria chimica per trasformare un tessuto biologico in un nuovo stato, in cui sia ancora integro ma perfettamente trasparente alla luce e permeabile alle macromolecole:

"We drew upon chemical engineering to transform biological tissue into a new state that is intact but optically transparent and permeable to macromolecules," said Chung, the paper's first author.

Questo risultato si ottiene sostituendo i lipidi con un idrogel di acrilammide, soluzione nella quale viene immerso il cervello. L'acrilammide si lega alle proteine, agli acidi nucleici e ad altre molecole, ma non ai lipidi. La soluzione contenente l'idrogel nella quale è immerso il cervello viene lentamente portata più o meno alla temperatura corporea. A quel punto l'idrogel comincia a coagulare in polimeri e forma una  rete intorno al cervello che mantiene la struttura cerebrale intatta, senza però legarsi ai lipidi. Dopo aver creato questa sovrastruttura si possono rimuovere i lipidi, con un procedimento di elettroforesi e alla fine si ottiene una struttura trasparente con tutte le parti al loro posto e integre. Questa tecnica permette di perdere solo l'8% delle proteine, contro una perdita del 41% circa delle altre.

Non solo: il metodo CLARITY potrebbe permettere anche di studiare la chimica delle cellule:

"We thought that if we could remove the lipids nondestructively, we might be able to get both light and macromolecules to penetrate deep into tissue, allowing not only 3-D imaging, but also 3-D molecular analysis of the intact brain," said Deisseroth, who holds the D.H. Chen Professorship.

Ottenuto un cervello trasparente, si usano degli anticorpi con una molecola fluorescente, capaci di legarsi a specifiche proteine e di accendersi una volta colpiti dalla luce. E' chiaro che, quando i tessuti sono diventati trasparenti alla luce, si possono evidenziare, utilizzando la tecnica degli anticorpi fluorescenti e la loro specificità, tutte le strutture che si desiderano e le relazioni fini fra complessi proteici e neurotrasmettitori:

"Being able to determine the molecular structure of various cells and their contacts through antibody staining is a core capability of CLARITY, separate from the optical transparency, which enables us to visualize relationships among brain components in fundamentally new ways," said Deisseroth.

Come si può osservare e immaginare, questa tecnica per rendere trasparenti tessuti e organi, ottenendone una visione tridimensionale e completa di collegamenti,  si presta a numerosissimi utilizzi e apre prospettive finora impensabili. Specialmente in ambito neuroanatomico, tanto da far dire a Thomas Insel, direttore dei National Institute of Mental Health di Bethesda, "questa è probabilmente una delle migliori scoperte in neuroanatomia da decenni" [in See-through brains clarify connections].

La nuova tecnica permette di osservare la fitta ramificazione dei collegamenti, il cammino delle fibre nervose all'interno del cervello e i rapporti tra le varie strutture. Certo, deve essere ulteriormente appurato se la rimozione dei lipidi alteri in qualche modo le strutture cerebrali, ma di sicuro è uno strumento che potrebbe rivelarsi fondamentale per lo studio del cervello. 

Bibliografia.

Kwanghun Chung, Jenelle Wallace, Sung-Yon Kim, Sandhiya Kalyanasundaram, Aaron S. Andalman, Thomas J. Davidson, Julie J. Mirzabekov, Kelly A. Zalocusky, Joanna Mattis, Aleksandra K. Denisin, Sally Pak, Hannah Bernstein, Charu Ramakrishnan, Logan Grosenick, Viviana Gradinaru & Karl Deisseroth, Structural and molecular interrogation of intact biological systems, Nature (2013) 
doi:10.1038/nature12107

Helen Shen, See-through brains clarify connections, Nature news, 10 aprile 2013

Andrew Myers, Getting CLARITY: Hydrogel process developed at Stanford creates transparent brain, Stanford University 10 aprile 2013

Annarita Ruberto, Mappata Per La Prima Volta L'Attivita' Cerebrale Di Un Vertebrato, Scientificando 22 marzo 2013


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Stanford University
Nature Video Channel