WHOLISTIC Memungkinkan Ilmuwan Mengamati Aktivitas Sel di Seluruh Tubuh Ikan Zebra Hidup

Fisiologi tubuh bekerja lintas-organ. Aktivitas saraf, aliran darah, pencernaan, dan respons terhadap rangsang dapat berubah secara bersamaan. Namun, banyak metode pencitraan pada hewan hidup selama ini hanya menyoroti satu jaringan atau satu organ dalam satu waktu.

WHOLISTIC hadir untuk mengisi celah tersebut. Nama ini merupakan singkatan dari WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity. Sistem ini dirancang untuk larva ikan zebra (Danio rerio) yang transparan, sehingga jaringan internalnya dapat diamati secara optik. Dengan menggabungkan pencitraan fluoresensi 3D berkecepatan tinggi, sensor kalsium hasil rekayasa genetik, dan analisis komputasional, WHOLISTIC dapat merekam dinamika aktivitas sel di berbagai bagian tubuh pada skala waktu detik. 2

Cara kerja WHOLISTIC

Pada ikan zebra larva, sensor kalsium diekspresikan secara luas pada sel. Ketika konsentrasi kalsium di dalam sel berubah, intensitas fluoresensinya ikut berubah. Sinyal itu menjadi pembacaan tidak langsung terhadap perubahan keadaan sel.

Penting dicatat, aktivitas kalsium bukan rekaman langsung koneksi sinaptik dan tidak dengan sendirinya membuktikan bahwa satu sel menyebabkan sel lain merespons. Yang terlihat adalah dinamika yang terjadi secara bersamaan atau saling berkorelasi, lalu dapat menjadi petunjuk untuk eksperimen lanjutan yang lebih terarah. 2

Komponen utama pendekatan ini meliputi:

• Mikroskopi fluoresensi volumetrik, yang berulang kali menangkap tampilan tiga dimensi tubuh hewan, bukan sekadar satu bidang gambar. 2
• Pelabelan kalsium pada banyak tipe sel, sehingga aktivitas dapat dipantau pada beragam jaringan dan sistem organ, tidak terbatas pada neuron. 2
• Pemrosesan komputasional dan pembelajaran mesin, untuk mengenali struktur seluler yang aktif serta mengatur rekaman besar menjadi pola yang lebih mudah ditafsirkan. 2

Hasilnya adalah rekaman dinamika sel secara waktu nyata di hampir seluruh organisme. Nilai utamanya bukan hanya peningkatan teknis, melainkan perubahan sudut pandang: aktivitas tubuh kini dapat dipelajari sebagai sistem yang terkoordinasi, dengan kemungkinan kaitan antartubuh-organ terlihat dalam percobaan yang sama. 2

Temuan dari pencitraan seluruh tubuh

Saat oksigen rendah, aliran darah dialihkan

Dalam kondisi kekurangan oksigen atau hipoksia, WHOLISTIC memperlihatkan aktivitas terkoordinasi yang berkaitan dengan perubahan sirkulasi, termasuk pengalihan aliran darah. Galeri WHOLISTIC Janelia menunjukkan berkurangnya aliran darah di wilayah mesenterium—jaringan penyangga usus—selama hipoksia, bersamaan dengan peningkatan aliran menuju otak dan jantung. 8

Pengamatan seperti ini memungkinkan respons saraf dan kardiovaskular dilihat dalam satu hewan yang sama. Temuan tersebut konsisten dengan respons tubuh yang memprioritaskan pengiriman oksigen ke organ vital. Namun, rangkaian sebab-akibat yang tepat tetap perlu diuji melalui eksperimen lanjutan yang menargetkan sel atau sirkuit tertentu. 28

Dinamika sumsum tulang belakang dan sel ependimal

Platform ini juga menemukan dinamika terkoordinasi di sumsum tulang belakang serta pada sel ependimal, yakni sel yang melapisi sistem ventrikel. Pengamatan tersebut memperluas peta aktivitas melampaui pendekatan konvensional yang berpusat pada neuron. 2

Aktivitas sel ependimal yang terkait keadaan fisiologis dapat menjadi petunjuk bagi penelitian mengenai proses yang berhubungan dengan tidur. Akan tetapi, korelasi sinyal kalsium saja belum cukup untuk menyimpulkan bahwa sel ini memiliki fungsi tidur. Kekuatan WHOLISTIC adalah membantu peneliti menemukan kandidat hubungan lintas-jaringan yang kemudian dapat diuji dengan manipulasi yang lebih selektif. 2

Efek ketamin menembus batas jaringan

Respons obat dapat melibatkan berbagai tipe sel dan kompartemen anatomi. Saat mengamati paparan ketamin akut, peneliti menggunakan WHOLISTIC untuk melihat efek yang melibatkan jaringan saraf sekaligus meninges, yaitu lapisan pelindung yang menyelubungi otak dan sumsum tulang belakang. 2

Temuan ini menggambarkan manfaat praktis pencitraan seluruh tubuh: pengukuran yang hanya berfokus pada neuron berpotensi melewatkan respons pada jaringan non-saraf di sekitarnya. Dengan melihat banyak jaringan dalam percobaan yang sama, efek di batas antartipe jaringan menjadi lebih mudah terdeteksi. 2

Sel terkait tulang rawan yang peka terhadap dingin

Eksperimen pendinginan juga mengungkap respons kalsium pada sel yang terkait dengan tulang rawan. Hasil ini menunjukkan bahwa aktivitas yang dipicu suhu mungkin tidak terbatas pada sistem saraf, sekaligus membuka kemungkinan adanya peran sensorik pada jaringan non-neuronal yang sebelumnya tidak diduga. 2

Mengapa WHOLISTIC penting

WHOLISTIC memperluas gagasan pencitraan seluruh otak pada ikan zebra ke seluruh tubuh. Pencitraan seluruh otak pada ikan zebra sebelumnya telah menunjukkan bahwa vertebrata transparan dapat digunakan untuk merekam aktivitas saraf dalam skala besar secara serentak. Pendekatan baru ini memperlebar cakupan tersebut ke banyak sistem organ dan tipe sel sekaligus. 52

Hal ini relevan bagi pertanyaan biologis yang memang melibatkan banyak sistem: bagaimana otak mengatur sirkulasi saat tubuh tertekan, bagaimana obat bekerja pada jaringan saraf dan non-saraf, atau bagaimana sinyal sensorik muncul di luar jalur saraf yang lazim dikenal. WHOLISTIC bukan klaim bahwa seluruh peta kausal tubuh telah terpecahkan. Metode ini menyediakan peta aktivitas skala tubuh untuk menemukan hubungan yang layak diuji lebih lanjut. 2

Arah pengembangan ke Danionella

Janelia menyajikan kerja ini sebagai sumber yang menggabungkan mikroskopi canggih dan analisis komputasional, termasuk visualisasi perubahan sirkulasi yang terkait hipoksia. 28

Pendekatan ini juga berpotensi melampaui larva ikan zebra. Danionella menarik sebagai organisme model karena ikan dewasanya tetap sangat kecil, sehingga perekaman aktivitas di seluruh otak yang telah berkembang memungkinkan dilakukan untuk mempelajari perilaku yang lebih kompleks. Secara terpisah, Janelia melaporkan bahwa alur kerja mikroskopi ekspansi seluruh tubuh mereka dapat digunakan pada sampel Danionella dewasa. 114

Tetap ada batas penting: pencitraan kalsium memperlihatkan dinamika sel yang berkorelasi, bukan bukti langsung konektivitas, mekanisme molekuler lengkap, atau hubungan sebab-akibat. Keunggulan WHOLISTIC terletak pada kemampuannya membuat hipotesis lintas-organ dapat diamati dalam vertebrata hidup pada skala yang sebelumnya sulit dijangkau. 2