Verwendung von Ionenstrahlen zur Verbesserung der Gehirnmikroskopie

Die Verbesserung der Art und Weise, wie Wissenschaftler die mikroskopischen Strukturen des Gehirns sehen können, kann unser Verständnis einer Vielzahl von Gehirnerkrankungen wie Alzheimer oder Multipler Sklerose verbessern. Die Untersuchung dieser Krankheiten ist eine Herausforderung und wird durch die Genauigkeit der verfügbaren Modelle eingeschränkt.

Um die kleinsten Teile von Zellen zu sehen, verwenden Wissenschaftler häufig eine Technik namens Elektronenmikroskopie. Bei der Elektronenmikroskopie wurden in der Vergangenheit Chemikalien hinzugefügt und das Gewebe physisch geschnitten. Dieser Ansatz kann jedoch das Aussehen der Zellen und Strukturen verändern, ihren natürlichen Zustand stören und die Auflösung einschränken.

Eine alternative Methode namens Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) liefert klarere Bilder der kleinsten Teile des Gehirns in einem natürlicheren Zustand, erfordert jedoch ein Einfrieren. Das Einfrieren von Proben auf kryogene Temperaturen muss sorgfältig erfolgen, da sich sonst Eiskristalle bilden können, die die natürliche Anatomie stören.

Doch neue Forschungen von Benjamin Creekmore in den Laboren von Yi-Wei Chang und Edward Lee an der University of Pennsylvania zeigen eine neue Technik zur Untersuchung der Ultrastruktur des menschlichen Gehirns. Sie präsentieren ihre Forschung auf der 68. Jahrestagung der Biophysical Society, die vom 10. bis 14. Februar 2024 in Philadelphia, Pennsylvania, stattfindet.

Creekmore und Kollegen erhielten Gehirngewebe aus Autopsien, froren es direkt auf speziellen Gittern mit flüssigem Ethan blitzschnell ein und verwendeten ein leistungsstarkes Werkzeug namens Xenon-Plasma-Fokussierter Ionenstrahl (FIB), um dünne Scheiben für die Bildgebung zu schneiden. Diese Methode ermöglichte es ihnen, das Gehirngewebe in seinem naturnahen Zustand zu betrachten, ohne mit einer Messerklinge zu schneiden, Chemikalien hinzuzufügen oder langsamer einzufrieren, was alles zu Veränderungen in den Strukturen führen kann.

„Die gebräuchlichste Art, Gewebe bei einer Autopsie zu konservieren, besteht darin, es in einen Gefrierschrank zu legen und es später zu verwenden. Aber wenn man es langsam einfrieren lässt und es dann aufwärmt und dann wieder einfriert, wird das Gewebe ebenfalls gestört. Membranen brechen und man kann es tun.“ die normale Architektur verlieren“, erklärte Creekmore.

Ein überraschender Teil der neuen Methode besteht darin, dass sie viel dickere Proben einfacher und schneller einfrieren lässt – in der Vergangenheit waren Proben bei ähnlichen Ansätzen auf 10 Mikrometer begrenzt. „Wir konnten Proben mit einer Dicke von bis zu 250 Mikrometern ohne Eiskristalle einfrieren“, sagte Creekmore. Der Prozess, dicke Proben für die hochauflösende Bildgebung vorzubereiten, ist viel schneller als bei anderen Techniken. Diese Beschleunigung kann die Analyse einer größeren Anzahl von Proben ermöglichen.

Indem sie diesen Ansatz auf Gehirngewebe von Personen mit Alzheimer-Krankheit anwendeten, konnten sie intakte Strukturen innerhalb von Zellen beobachten, wie zum Beispiel Tau-Fibrillen, ein Kennzeichen der Alzheimer-Krankheit, und Zellbestandteile, die versuchen, diese Fibrillen abzubauen. Das Team visualisierte und maß auch Myelin, eine Hülle, die für die Nervenfunktion wichtig ist, aber bei bestimmten Krankheiten wie Multipler Sklerose zusammenbricht.

„Techniken zur Abbildung menschlichen Gewebes hatten in der Vergangenheit eine relativ geringe Auflösung und störten die natürliche Architektur. Wir wollten versuchen, eine Möglichkeit zu finden, Gehirnkrankheiten in ihrem natürlichen Kontext zu modellieren und zu untersuchen“, sagte Creekmore.

Ihre innovative Methode ermöglicht einen ersten Einblick in den natürlichen Zustand des menschlichen Gehirngewebes und bietet wertvolle Einblicke in seine Anatomie auf hohem Detaillierungsgrad. Diese neue Methode kann einzigartige Informationen liefern, um krankheitsverursachende Mechanismen einer breiten Palette hirnbezogener Erkrankungen zu bestimmen.