Ny teknik afslører ilts rejse i hjernen

Den menneskelige hjerne bruger enorme mængder energi, som næsten udelukkende kommer fra en form for stofskifte, der kræver ilt.

For at det stofskifte skal fungere og altså holde hjernen sund, er det essentielt med den helt rigtige mængde og levering af ilt.

Hvordan det egentlig forgår, er stort set forblevet ‘en black boks’ for videnskaben.

Men en ny metode beskrevet i et studie udgivet i Science i dag, har skabt detaljerede og visuelt slående billeder af iltens bevægelse i hjerner på mus.

Metoden, som let kan kopieres af andre laboratorier, vil gøre forskere verden over i stand til mere præcist at studere former for hypoxi. Begrebet hypoxi dækker over, at der ikke kommer nok ilt til kroppen, og det opstår under slagtilfælde eller hjerteanfald.

Den nye metode er allerede med til at give indsigt i, hvorfor en stillesiddende livsstil øger risikoen for sygdomme som Alzheimers.

“Studiet viser, at vi kan overvåge ændringer i iltkoncentrationen kontinuerligt og i et bredt område af hjernen,” siger Maiken Nedergaard, meddirektør på Center for Translationel Neuromedicin, som er baseret på både University of Rochester og Københavns Universitet.

“Det giver os et mere detaljeret billede af, hvad der sker i hjernen i realtid, hvilket giver os mulighed for at identificere tidligere uopdagede områder med midlertidig hypoxi, som afspejler ændringer i blodgennemstrømningen, der kan udløse neurologiske underskud,” siger Maiken Nedergaard.

Ildfluer og serendipitet 

Den nye metode anvender selvlysende proteiner, der kan beskrives som kemiske ’fætre’ til de såkaldt bioluminescerende proteiner, der findes i ildfluer. Bioluminescerende proteiner er proteiner der er med til at skabe lys i levende organismer som ildfluer.

Disse proteiner, som også er blevet brugt i kræftforskning, anvender en virus, der leverer instruktioner til cellerne om at producere et selvlysende protein i form af et enzym. Når enzymet møder et substrat kaldet furimazin, genereres lys.

Ligesom med mange andre vigtige videnskabelige opdagelser faldt forskerne bag dette nye studie ved et uheld over metoden til at følge ilt i hjernen på mus.

Felix Beinlich, adjunkt på Center for Translationel Neuromedicin på Københavns Universitet, havde oprindeligt tænkt sig at bruge de selvlysende proteiner til at måle calciumaktivitet i hjernen.

Det blev tydeligt, at der var en fejl i produktionen af et af proteinerne, hvilket medførte en måned lang forsinkelse i forskningen.

Mens Felix Beinlich ventede på en ny ‘batch’, besluttede han at gå videre med eksperimenterne for at teste og optimere overvågningssystemerne.

Han brugte derfor virusset til at levere enzymproducerende instruktioner til astrocytter, allestedsnærværende støtteceller i hjernen, der opretholder neuronernes sundhed og signaleringsfunktioner, og substratet blev sprøjtet ind i hjernen via cerebrospinalvæske.

Optagelserne afslørede aktivitet, identificeret ved en fluktuerende intensitet af bioluminescens, noget som forskerne mistænkte og senere bekræftede, afspejlede tilstedeværelsen af ilt.

“Den kemiske reaktion i dette tilfælde var iltafhængig, så det begyndte at gløde, når vi kombinerede enzymet, substratet og oxygen,” siger Felix Beinlich.

Mens eksisterende iltovervågningsteknikker giver information om et meget lille område af hjernen, er forskerne nu i stand til at observere hele musenes cortex.

Intensiteten af bioluminescensen svarer til koncentrationen af ilt, hvilket forskerne påviste ved at ændre mængden af ilt i den luft, som dyrene trak vejret i. Ændringer i ilt kunne også påvise når for eksempel, musenes knurhår blev stimuleret med et pust af luft. Så lyste den tilsvarende sanseregion i hjernen op.

“Hypoxiske lommer” kunne pege på Alzheimers risiko 

Hjernen kan ikke overleve længe uden ilt, et koncept demonstreret af den neurologiske skade, der hurtigt følger efter et slagtilfælde eller et hjerteanfald.

Men hvad sker der, når meget små dele af hjernen nægtes ilt i korte perioder?

Det spørgsmål blev ikke engang stillet af forskere, før holdet i Nedergaard-laboratoriet begyndte at se nærmere på de nye optagelser.

Mens de overvågede musene, observerede forskerne, at specifikke små områder af hjernen med mellemrum blev mørke, nogle gange i flere sekunder, hvilket betyder, at iltforsyningen blev afbrudt.

Ilt cirkuleres i hele hjernen via et stort netværk af arterier og mindre kapillærer – eller mikrokar – som gennemsyrer hjernevæv.

Gennem en række eksperimenter var forskerne i stand til at fastslå, at ilt blev nægtet på grund af kapillær standsning, som opstår, når hvide blodlegemer midlertidigt blokerer mikrokar og forhindrer passagen af ilt, der bærer røde blodlegemer.

De områder, som forskerne kaldte “hypoxiske lommer”, var mere udbredt i hjernen på mus under en hviletilstand, sammenlignet med da dyrene var aktive. Kapillærstop menes at stige med alderen og er blevet observeret i modeller for Alzheimers sygdom.

“Døren er åben for at studere en række sygdomme forbundet med hypoxi i hjernen, herunder Alzheimers, vaskulær demens og langvarig COVID, og hvordan en stillesiddende livsstil, aldring, hypertension og andre faktorer bidrager til disse sygdomme,” siger Maiken Nedergaard.

“Det giver også et værktøj til at teste forskellige stoffer og former for træning, der forbedrer vaskulær sundhed og bremser vejen til demens.”

Du kan læse hele studiet “Oxygen imaging of hypoxic pockets in the mouse cerebral cortex“ i Science.

Yderligere forfattere omfatter Hajime Hirase, Antonios Asiminas, Verena Untiet, Zuzanna Bojarowska, Virginia Plá og Björn Sigurdsson fra Københavns Universitet og Vincenzo Timmel, Lukas Gehrig og Michael H. Graber fra University of Applied Sciences og Arts Northwestern Switzerland. Undersøgelsen blev støttet med midler fra National Institute of Neurological Disorders and Stroke, Dr. Miriam and Sheldon G. Adelson Medical Research Foundation, Novo Nordisk Foundation, Lundbeck Foundation, Independent Research Fund Denmark og US Army Research Office.