English
Oddělení biomatematiky Fyziologického ústavu AV ČR za účasti význačných vědeckých osobností – mj. místopředsedů AV ČR Jaroslava Pánka, Vladimíra Marečka a Miroslava Tůmy, ředitelky Ústavu experimentální medicíny AV ČR Evy Sykové či ředitele Ústavu makromolekulární chemie Františka Rypáčka – uvedlo 17. května 2012 do provozu unikátní optický projekční tomograf Bioptonics OPT Scanner 3001.
Foto: Luděk Svoboda, Akademický bulletin
Optický projekční tomograf Bioptonics OPT Scanner 3001
Přístroj o váze 24 kilogramů a délce jeden metr připomíná slovy profesora Františka Vyskočila z FGÚ AV ČR (jeho rozšiřující článek o optické projekční tomografii vizte dále) pouzdro na housle; ty bychom však v útrobách přístroje jen stěží nalezli. Hlavním úkolem nového zařízení je vytvářet trojrozměrná zobrazení živočišných a rostlinných tkání, orgánů a menších organismů, jako jsou embrya, drobné vyvíjející se orgány, celí drobní živočichové nebo části lidských těl, listy, plody a rostlinná pletiva. Podle ředitelky FGÚ AV ČR dr. Lucie Kubínové umožní přístroj zkoumat např. embryonální myší srdce a na nich studovat různé vývojové vady; lékaři se tak dozvědí více o lidské arytmii či morfologii mozkové tkáně, což může pomoci při studiu např. Alzheimerovy choroby.
-red-
Idea optické projekční tomografie (OPT) není zdaleka nová; každý si jistě vzpomene na dětské pokusy s lampičkou pod peřinou, když jsme si prosvěcovali ze všech stran prsty a mimo červenou barvu viděli též stíny prstových nebo dlaňových kůstek. Intenzita a různá vlnová délka červené barvy dodnes slouží pro měření množství protékající okysličené krve. Z potřeby přesného zobrazení především vyvíjejících se jemných struktur byl v Anglii v roce 2002 tento jednoduchý princip zdokonalen.
Příkladem použití může být obrázek celé mušky octomilky (mutanta poskytl Dr. Martin Zápotocký), která je nejprve dokonale projasněna a zviditelněna při bílém světle. Na druhém obrázku jsou vidět fluoreskující zeleně svítící 3D nervové struktury v hlavě, hrudi a zadečku mušky. Dá se tak studovat např. průběh odumírání nervových vláken po poškození nebo po mutacích, u obratlovců změny při demyelinizačních onemocněních typu roztroušené sklerózy a amyotrofické laterální sklerózy.
Výhodou je, že se studovaný objekt nemusí půlit nebo jemně řezat na plátky, které je třeba dále různě barvit. Při OPT se preparáty drobných rozměrů (nejlépe od 2 do 15 mm) mohou předem připravit – „obarvit“ jako celek. Lze v nich zviditelnit určité typy buněk; uvnitř i vně buněk lze zobrazit funkční a strukturální bílkoviny nebo DNA a RNA bez dalšího mechanického zpracování. Tím se odstraní rizika poškození vzorku a zkreslení údajů.
Biologické objekty mají ale obvykle nízkou průsvitnost, a proto se nejprve sytí zvláštním optickým projasňovačem. Tento tzv. Murrayův roztok postupně nahradí vodu obsaženou v buňkách a mezibuněčném prostoru. Má vysoký index lomu, který je blízký indexu lomu světla tkání. Výsledkem je průsvitný až průhledný biologický preparát, který se upevní na otáčející se držák a postupně se prosvěcuje světlem o požadované vlnové délce (k dispozici jsou délky 425 nm, 470 nm, 545 nm, 628 nm a bílé světlo) a získají se projekce v rozsahu celých 360 stupňů. Jestliže jsou některé části uvnitř preparátu označeny nebo obarveny nějakou fluorescenční značkou, emituje se z těchto struktur záření s posunutou vlnovou délkou. Zvýrazněné průměty např. neuronových sítí či ledvinových kanálků se počítačově rekonstruují do fluorescenčního 3D obrazu, případně videa. Postup rekonstrukce obrazu z projekcí je podobný jako při běžné počítačové (rentgenové) tomografii (CT). Když použijeme bílé světlo, získáváme celkový transmisní 3D obraz vnitřních struktur s rozlišením od asi 3,23 mm3/voxel (pozn. – voxely jsou jednotky prostorového rozlišení).
Foto: Luděk Svoboda, Akademický bulletin
Martin Čapek a David Sedmera z Fyziologického ústavu AV ČR
Proč je trojrozměrné zobrazení užitečné nejen pro diváky v kinech nebo 3D konstruktéry karoserií, ale i pro badatele a učitele v základním biomedicínském výzkumu? Rozhodně nejen proto, že zobrazené přírodní 3D objekty jsou krásné a lze s nimi provádět různé rotace a animace. Zobrazení 3D živých struktur je neocenitelné zvláště při studiu zárodečného vývoje nebo degenerativních stavů, během nichž tkáně podstupují mnohé strukturální změny ve vztahu k sobě navzájem. Standardní zobrazovací techniky dosud zahrnovaly úmorné řezání stovek tenkých řezů vzorkem nebo „optické řezy“ tkáněmi pomocí konfokálního mikroskopu, a teprve potom následovala počítačová rekonstrukce dat do 3D modelu.
Tyto jinak užitečné metody jsou poměrně zdlouhavé a mají určitá omezení. A právě OPT přichází s cílem poskytnout alternativní a přesnější způsoby vizualizace. Jejím prostřednictvím jsme schopni produkovat ve vysokém rozlišení komplexní strukturální informace, prostorově a dokonce časově je popsat, dát do určitých vztahů a často i předpovědět další změny. Například zobrazíme rozmístění určitých genů a bílkovin, které mají tyto geny na starosti, což umožní pochopit, co se odehrává nebo záhy odehraje ve studovaném objektu. Takové mapy genové exprese těchto strukturálních změn samozřejmě umožňují lepší pochopení jejich funkce.
Trojrozměrné zobrazení je i prostředkem při základním biomedicínském vzdělávání a začíná také úspěšně sloužit jako přesnější diagnostický nástroj. Lékařům umožňuje vizualizovat, tj. přímo vidět, jak vypadá zdravá nebo naopak podezřelá či dokonce nemocná struktura, a zjistit, co, kde a kdy se zřejmě pokazilo. Přístrojem se pokrývá i mezera mezi přístroji poskytující 3D data – konfokálním mikroskopem, který je v provozu ve Fyziologickém ústavu již léta – a neinvazivními mikro-CT a mikro-NMR.
První OPT obrázky ve FGÚ AV ČR získali dr. Martin Čapek a prof. David Sedmera v oddělení biomatematiky; připojují se i další pracoviště ústavu, která studují patologické jevy spojené s kardiovaskulárními, neurálními a buněčnými nemocemi získanými i zděděnými. Právě v této oblasti může OPT skener odhalit dosud nevídaný a dosud neviděný vznik a postup onemocnění, vizualizovat vliv léčby, případně odhalit její vedlejší účinky. Na řadu brzy přijdou zdravé i degenerované myší mozky a jejich krevní řečiště po radiačním a chemickém poškození, srdce s vrozenými převodovými vadami, letový aparát škodlivého hmyzu, umělá kůže, přetížené ledviny nebo i obyčejná žížala, která je přes svou všeobecně známou užitečnost stále málo prozkoumaným půdním živočichem a zaujala i kolegy z Mikrobiologického ústavu AV ČR.
Projekční tomograf OPT otevírá pro české vědce i laickou veřejnost další podnětná a významná okénka do fantastické dílny života.
FRANTIŠEK VYSKOČIL,
Fyziologický ústav AV ČR, v. v. i.