새로운 영상 방법으로 뇌 속 산소의 이동 경로 조명

인간의 뇌는 막대한 양의 에너지를 소비하는데, 이는 거의 전적으로 산소가 필요한 대사 과정에서 생성됩니다. 효율적이고 시기적절한 산소 공급이 건강한 뇌 기능에 중요한 것으로 알려져 있지만, 이 과정의 정확한 메커니즘은 대부분 과학자들에게 숨겨져 있습니다.

오늘 저널에 설명된 새로운 생물발광 이미징 기술 과학는 생쥐 뇌의 산소 이동에 대한 매우 상세하고 시각적으로 놀라운 이미지를 만들었습니다. 다른 실험실에서 쉽게 복제할 수 있는 이 방법을 통해 연구자들은 뇌졸중이나 심장마비 중에 발생하는 뇌에 ​​산소 공급이 차단되는 것과 같은 뇌의 저산소증 형태를 보다 정확하게 연구할 수 있습니다. 새로운 연구 도구는 이미 앉아서 생활하는 생활 방식이 알츠하이머병과 같은 질병의 위험을 증가시킬 수 있는 이유에 대한 통찰력을 제공하고 있습니다.

로체스터 대학과 로체스터 대학에 본부를 두고 있는 중개신경의학센터(CTN)의 공동 소장인 마이켄 네더가드(Maiken Nedergaard)는 “이 연구는 뇌의 넓은 영역에서 산소 농도의 변화를 지속적으로 모니터링할 수 있음을 보여줍니다.”라고 말했습니다. 코펜하겐 대학교. “이를 통해 우리는 실시간으로 뇌에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 보다 자세한 그림을 얻을 수 있으며, 이를 통해 이전에 감지되지 않은 일시적 저산소증 영역을 식별할 수 있습니다. 이는 신경학적 결손을 유발할 수 있는 혈류의 변화를 반영합니다.”

반딧불이와 우연한 과학

새로운 방법은 반딧불이에서 발견되는 생물발광 단백질의 화학적 사촌인 발광 단백질을 사용합니다. 암 연구에 사용된 이 단백질은 효소 형태의 발광 단백질을 생성하라는 지시를 세포에 전달하는 바이러스를 사용합니다. 효소가 두 번째 화합물인 퓨리마진(furimazine)이라는 기질을 만나면 화학 반응이 빛을 생성합니다.

많은 중요한 과학적 발견과 마찬가지로 뇌의 산소를 이미지화하기 위해 이 과정을 사용하는 것은 우연히 발견되었습니다. 코펜하겐 대학교 CTN 조교수인 펠릭스 바인리히(Felix Beinlich) 박사는 원래 뇌의 칼슘 활동을 측정하기 위해 발광 단백질을 사용하려고 했습니다. 단백질 생산에 오류가 있어 연구가 몇 달간 지연되었다는 것이 분명해졌습니다.

Beinlich는 제조업체로부터 새로운 배치를 기다리는 동안 모니터링 시스템을 테스트하고 최적화하는 실험을 진행하기로 결정했습니다. 이 바이러스는 뉴런의 건강과 신호 기능을 유지하는 뇌의 편재적 지지 세포인 성상교세포에 효소 생성 명령을 전달하는 데 사용되었으며, 기질은 개두술을 통해 뇌에 주입되었습니다. 기록에는 생물발광의 강도 변동으로 확인되는 활동이 드러났는데, 이는 연구원들이 산소의 존재와 농도를 반영한다고 의심하고 나중에 확인하게 될 것입니다. “이 경우의 화학 반응은 산소에 의존적이었습니다. 따라서 효소, 기질 및 산소가 있으면 시스템이 빛나기 시작합니다.”라고 Beinlich는 말했습니다.

기존의 산소 모니터링 기술은 뇌의 매우 작은 영역에 대한 정보를 제공하는 반면, 연구자들은 생쥐 피질의 큰 부분을 실시간으로 관찰할 수 있었습니다. 생물발광의 강도는 산소 농도와 일치하는데, 연구진은 동물이 호흡하는 공기 중의 산소 양을 변화시켜 이를 입증했습니다. 빛 강도의 변화는 감각 처리와도 일치합니다. 예를 들어, 쥐의 수염에 공기를 들이마시면 자극을 받았을 때, 연구자들은 뇌의 해당 부위가 밝아지는 것을 볼 수 있었습니다.

“저산소 주머니”는 알츠하이머 위험을 나타낼 수 있습니다

뇌는 산소 없이는 오래 생존할 수 없습니다. 이는 뇌졸중이나 심장마비 후에 빠르게 나타나는 신경학적 손상을 통해 알 수 있는 개념입니다. 하지만 뇌의 아주 작은 부분에 짧은 기간 동안 산소가 공급되지 않으면 어떻게 될까요? Nedergaard 연구실의 팀이 새로운 기록을 면밀히 조사하기 시작할 때까지 연구원들은 이 질문을 던지지도 않았습니다. 연구자들은 생쥐를 모니터링하는 동안 뇌의 특정 작은 영역이 때로는 몇 분 동안 어두워지는 것을 관찰했는데, 이는 산소 공급이 중단되었음을 의미합니다.

산소는 뇌 조직에 침투하는 동맥과 작은 모세혈관(또는 미세혈관)의 광대한 네트워크를 통해 뇌 전체에 순환됩니다. 연구진은 일련의 실험을 통해 백혈구가 일시적으로 미세혈관을 막아 산소를 운반하는 적혈구의 통과를 방해할 때 발생하는 모세혈관 정지로 인해 산소가 거부되고 있음을 확인할 수 있었습니다. 연구자들이 “저산소 주머니”라고 명명한 이 영역은 동물이 활동할 때보다 휴식 상태에 있는 쥐의 뇌에서 더 널리 퍼져 있었습니다. 모세혈관 정지는 나이가 들수록 증가하는 것으로 알려져 있으며 알츠하이머병 모델에서 관찰되었습니다.

Nedergaard 박사는 “이제 알츠하이머병, 혈관성 치매, 장기 코로나19 등 뇌 저산소증과 관련된 다양한 질병과 앉아서 생활하는 생활 방식, 노화, 고혈압 및 기타 요인이 이러한 질병에 어떻게 영향을 미치는지 연구할 수 있는 문이 열렸습니다.”라고 말했습니다. . “또한 혈관 건강을 개선하고 치매로의 진행 속도를 늦추는 다양한 약물과 운동 유형을 테스트할 수 있는 도구를 제공합니다.”

추가 저자로는 로체스터 대학의 Hajime Hirase, Antonios Asiminas, Verena Untiet, Zuzanna Bojarowska, Virginia Plá 및 코펜하겐 대학의 Björn Sigurdsson, 응용 과학 대학의 Vincenzo Timmel, Lukas Gehrig 및 Michael H. Graber가 있습니다. 스위스 북서부 예술. 이 연구는 국립 신경 장애 및 뇌졸중 연구소, Miriam 박사와 Sheldon G. Adelson 의학 연구 재단, Novo Nordisk 재단, Lundbeck 재단, 덴마크 독립 연구 기금 및 미 육군 연구실의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/03/240328162557.htm