Ультразвук показал, как глиобластома физически перестраивает мозг по мере роста
Учёные разработали ультразвуковой метод, который позволил в реальном времени наблюдать, как глиобластома растёт внутри мозга живой мыши, смещает соседние структуры, перестраивает кровеносные сосуды и нарушает работу нейронных сетей. Все три процесса удалось отслеживать в одних и тех же животных на протяжении 11 дней, получая изображения с разрешением порядка десятков микрометров.
Работу выполнила группа Калифорнийского технологического института под руководством Михаила Шапиро. Исследователи объединили три варианта ультразвуковой визуализации. Один показывал непосредственно опухолевые клетки, второй отслеживал изменения кровотока, связанные с активностью мозга, а третий строил сверхдетальные карты микрососудов.
Чтобы сама опухоль хорошо выделялась на ультразвуке, человеческие клетки глиобластомы U87 генетически модифицировали. Они производили газовые везикулы — заполненные газом белковые наноструктуры, встречающиеся у некоторых бактерий. Такие структуры создают хорошо различимый акустический сигнал и позволяют видеть расположение опухолевых клеток.
Модифицированные клетки имплантировали в мозг трёх иммунодефицитных мышей. Съёмку проводили до имплантации, а затем на 5-й, 8-й и 11-й день. Во время функциональных измерений животные находились в сознании и могли двигаться на специальной платформе, хотя голова фиксировалась относительно ультразвукового датчика.
У всех трёх животных опухоли постепенно увеличивались, хотя распространялись по-разному. Скорость роста площади на исследованных срезах составляла примерно 0,37–0,53 мм² в сутки. По мере увеличения опухоль физически сдвигала соседнее латеральное коленчатое тело — участок таламуса, участвующий в обработке зрительных сигналов. Структура на стороне опухоли смещалась сильнее, чем соответствующая область другого полушария.
При этом зрительная область продолжала реагировать на стимуляцию даже на 11-й день, несмотря на механическое смещение. Однако сила связанного с ней гемодинамического ответа постепенно уменьшалась. Статистически значимое снижение относительно противоположной стороны удалось получить только у одной из трёх мышей; у двух других изменения имели другой характер.
Ещё заметнее менялась система кровоснабжения. Сверхразрешающая ультразвуковая визуализация показала, как расположенные рядом с опухолью сосуды постепенно сдвигались, а внутри растущего новообразования появлялись новые сосудистые структуры. У наиболее подробно изученной мыши скорость движения микропузырьков в сосудах поражённого полушария снизилась примерно с 4,3 до 3,7 мм/с к 11-му дню. Одновременно сосуды становились более извилистыми.
Изменилась и работа более крупных нейронных сетей. В начале наблюдений функциональные связи между соответствующими областями двух полушарий были симметричными. По мере роста опухолей связи постепенно перестраивались, а к 11-му дню у всех трёх животных заметно снизилась функциональная связанность таламуса.
Интересное поведение обнаружили непосредственно внутри опухоли. Изменения объёма крови там происходили согласованно внутри самой опухолевой области, но были слабо связаны с колебаниями кровотока окружающего мозга. Авторы предполагают, что это может отражать относительно самостоятельную гемодинамическую активность опухоли, однако на выборке из трёх животных делать общий вывод пока рано.
Главным результатом работы является не открытие нового механизма глиобластомы, а возможность одновременно видеть несколько сторон её развития в одном живом мозге. МРТ позволяет наблюдать весь мозг, но хуже подходит для частых функциональных измерений у бодрствующих животных, а оптические методы дают высокое разрешение, но ограничены глубиной проникновения. Новая платформа объединяет наблюдение самой опухоли, работы мозга и сосудистой сети в одной системе.
Исследование остаётся доказательством работоспособности метода. В нём участвовали только три мыши, использовалась одна лабораторная линия глиобластомы U87 и одно место имплантации. Эта модель не воспроизводит всего разнообразия и инфильтративного роста глиобластомы человека. Следующим этапом станет проверка метода на большем числе животных и более реалистичных моделях опухолей.
В перспективе такой подход можно использовать и для испытаний терапии — одновременно наблюдать не только уменьшение опухоли, но и то, восстанавливаются ли окружающие сосуды и функциональные связи мозга после лечения.
Исследование в журнале iScience.