WHOLISTIC ukazuje komunikaci buněk v celém živém organismu

Fyziologie nefunguje po izolovaných orgánech. Aktivita nervové soustavy, krevní oběh, trávení i smyslové reakce se mohou měnit současně. Většina metod zobrazování živých organismů však dosud dovolovala sledovat jen jednu tkáň nebo orgán. Metoda WHOLISTIC tento pohled rozšiřuje: u průhledných mladých zebřiček zachycuje časově proměnlivou buněčnou aktivitu v celém těle v řádu sekund. 2

Název je zkratkou pro WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity – tedy systém živého zobrazování celého organismu pro záznam tkáňové a nitrobuněčné aktivity.

Jak WHOLISTIC funguje

Metoda využívá larvy zebřičky (Danio rerio), jejichž průhledné tělo umožňuje optický pohled do vnitřních tkání. Ryby nesou geneticky kódované vápníkové senzory ve velkém spektru buněk. Změny fluorescence pak slouží jako ukazatel změn koncentrace vápníku uvnitř buněk. 2

Vápníková aktivita je užitečným nepřímým ukazatelem změn buněčného stavu. Sama o sobě ale neměří synaptická spojení ani nedokazuje, že reakci jedné buňky přímo způsobila jiná buňka. 2

WHOLISTIC spojuje tři hlavní prvky:

• Objemovou fluorescenční mikroskopii, která opakovaně snímá trojrozměrný objem zvířete, nikoli jen jedinou obrazovou rovinu. 2
• Vápníkové značení napříč buněčnými typy, takže pozorování není omezeno na neurony. 2
• Výpočetní zpracování a strojové učení, jež pomáhají rozpoznat struktury nesoucí aktivitu a uspořádat rozsáhlé záznamy do srozumitelných vzorců. 2

Výsledkem je záznam buněčné dynamiky napříč organismem v reálném čase. Podstatný je přitom nejen technický posun, ale i změna perspektivy: možné vazby mezi orgány lze hledat přímo v rámci jednoho experimentu. 2

Co ukázal pohled na celé tělo

Při nedostatku kyslíku se krev přesměrovává

V podmínkách hypoxie, tedy nízké dostupnosti kyslíku, WHOLISTIC odhalil koordinovanou aktivitu spojenou se změnami krevního oběhu včetně přesměrování průtoku krve. Galerie Janelia ukazuje snížený průtok v mezenterické oblasti – oblasti závěsu střeva – a zároveň zvýšený průtok směrem k mozku a srdci. 8

Takové pozorování umožňuje v jediném preparátu propojit nervové a kardiovaskulární reakce. Je v souladu s představou koordinované celotělové odpovědi, která upřednostňuje přísun kyslíku k životně důležitým orgánům. Přesný příčinný okruh však bude nutné ověřit cílenými následnými experimenty. 28

Mícha a ependymové buňky

Platforma zachytila také koordinovanou dynamiku v míše a v ependymových buňkách, které vystýlají komorový systém. Tato pozorování ukazují, že sledované vzorce aktivity přesahují běžné mapy soustředěné výhradně na neurony. 2

Aktivita ependymových buněk vázaná na určitý stav organismu může souviset s fyziologií spojenou se spánkem. Jde však o hypotézu vytvářející prostor pro další výzkum, nikoli o důkaz funkce těchto buněk ve spánku: samotné korelace vápníkových signálů kauzalitu nepotvrzují. 2

Ketamin působí přes hranice tkání

Odezva na léčiva se může rozprostírat mezi více typů buněk i anatomickými oddíly. Při akutní expozici ketaminu vědci pomocí WHOLISTIC pozorovali účinky zahrnující nervovou tkáň i mozkové obaly, meningy. 2

Právě zde je výhoda celotělového snímání zřejmá. Měření omezené jen na neurony by mohlo přehlédnout reakce v sousedních nenervových tkáních; WHOLISTIC je zachytí ve stejném experimentu. 2

Buňky spojené s chrupavkou reagovaly na chlad

Při ochlazování se objevily vápníkové odpovědi v buňkách spojených s chrupavkou. Zjištění naznačuje, že aktivita navázaná na teplotu nemusí být výhradní doménou nervové soustavy, a ukazuje potenciál širokého buněčného zobrazování odhalovat nečekané kandidáty na smyslové funkce i mezi nenervovými tkáněmi. 2

Proč je metoda důležitá

WHOLISTIC rozšiřuje princip celomozkového zobrazování zebřiček na zbytek těla. Celomozkové zobrazování již dříve ukázalo, že u průhledných obratlovců lze paralelně zaznamenávat nervovou aktivitu v celém mozku; nová metoda současně zahrnuje více orgánových systémů a typů buněk. 52

To má význam pro otázky, u nichž biologie přirozeně překračuje hranice jednotlivých orgánů: jak mozek během zátěže koordinuje oběh, jak léky ovlivňují nervové i nenervové tkáně nebo jak se smyslové podněty projevují mimo tradiční nervové dráhy. Metoda netvrdí, že už poskytuje úplnou příčinnou mapu organismu. Nabízí však celotělovou mapu aktivity, která vytipuje vztahy hodné cíleného ověření. 2

Otevřený a rozšiřitelný směr

Výzkumné pracoviště Janelia představuje práci jako zdroj založený na pokročilé mikroskopii a výpočetní analýze; web WHOLISTIC zahrnuje i vizualizace výsledků, například změn krevního oběhu při hypoxii. 28

Přístup může být perspektivní také mimo larvy zebřičky. Zajímavým modelovým organismem je rod Danionella: dospělé ryby zůstávají velmi malé, což umožňuje záznam aktivity z celého vyvinutého mozku a studium rozvinutějšího repertoáru chování. Janelia samostatně uvádí, že její postup celotělové expanzní mikroskopie funguje i se vzorky dospělých Danionella. 114

Zásadní omezení zůstává stejné: vápníkové zobrazování ukazuje korelovanou buněčnou dynamiku. Samo o sobě neurčuje přímé propojení buněk, neodhalí všechny molekulární mechanismy ani nedokazuje příčinu a následek. Síla WHOLISTIC spočívá v tom, že zpřístupňuje pozorování hypotéz napříč orgány v měřítku, které bylo u živého obratlovce dosud obtížně dosažitelné. 2