Ученые Сколковского института науки и технологий и Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского разработали новый, экономичный метод для визуализации кровотока в сосудах головного мозга. Точность метода настолько высока, что позволяет реконструировать карту сосудов по движению отдельных эритроцитов, причем без использования токсичных красителей и дорогостоящей генной инженерии. Результаты исследования опубликованы в издании The European Physical Journal Plus.
Распределение скорости эритроцитов. Измерения и построение карты скоростей выполнены при помощи нового метода разработки Сколтеха и СГУ. Каждая стрелка соответствует одной клетке. Цветом показаны скорости эритроцитов: низкая (синий), средняя (зеленый), высокая (красный). Источник: Максим Курочкин/Сколтех
Чтобы лучше понять, как устроено кровоснабжение головного мозга, исследователи картируют сети кровеносных сосудов. Для этого используются различные методы визуализации, в том числе высокоточный метод, основанный на регистрации инфракрасного излучения с введением в кровоток флуоресцентных красителей. К сожалению, красители токсичны и вдобавок способны вызывать изменения в сосудах, что делает изображения менее достоверными. В качестве альтернативы можно использовать генетически модифицированных животных, у которых внутренняя оболочка кровеносных сосудов изменена таким образом, что она излучает свет сама по себе. Однако оба этих метода чрезвычайно дороги.
Исследователи Сколтеха и СГУ разработали новый, недорогой метод визуализации, позволяющий различать даже мельчайшие капилляры головного мозга. Метод основан на сочетании оптической микроскопии и обработки изображений и не требует использования красителей. Благодаря высокой точности, он позволяет обнаружить все до единого эритроциты, движущиеся по кровеносным сосудам. В этом его основное преимущество перед другими методами, в том числе не использующими красители, ведь в капиллярах не так уж много эритроцитов и при визуализации каждый из них на счету.
«В нашем методе для обработки изображений головного мозга, полученных с помощью стандартного оптического микроскопа, используется покадровая фильтрация. Метод позволяет различать отдельные движущиеся эритроциты и получать детальные изображения сети кровеносных сосудов головного мозга вплоть до мельчайших капилляров, что в свою очередь обеспечивает точную оценку скорости кровотока методом цифровой трассерной визуализации потоков», — рассказывает ведущий автор исследования, научный сотрудник Сколтеха Максим Курочкин.
Для демонстрации работоспособности метода ученые использовали две биологические модели: мозг мыши и эмбрион курицы. Сначала коллектив показал на примере кровеносных сетей куриного эмбриона возможность картирования мельчайших капилляров, в которых движение эритроцитов может быть непостоянно. Затем метод апробировали на более сложной модели — сосудах головного мозга крысы. Оказалось, что даже в системах с более труднодоступными сосудами, где не видно движение отдельных эритроцитов, а видны лишь цветовые паттерны, которые можно скорее связать с группами сосудов, тем не менее возможно картировать кровеносные сети.
Реконструированная карта кровеносных сетей эмбриона цыпленка, полученная методом адаптивной покадровой пороговой фильтрации серии изображений движущихся эритроцитов. Источник: Максим Курочкин/Сколтех
Почему так важно иметь детальную модель кровотока?
Предложенный учеными метод позволяет напрямую получать две важные характеристики кровеносной системы — скорость кровотока и диаметр сосуда. «Получив эти данные, мы можем попытаться извлечь дополнительную информацию, например данные об эластичности сосудов, жесткости мембран, давлении и вязкости крови, — поясняет Курочкин. — Эти параметры могут использоваться физиологами для построения моделей кровообращения, работу которых можно проверять, например, на данных измерений, полученных от датчиков давления и вязкости».
В перспективе полученные результаты позволят лучше понять физиологию эндотелиальных клеток, выстилающих внутреннюю поверхность кровеносных сосудов. А состояние эндотелия является физиологической основой всех сердечно-сосудистых заболеваний (которые занимают первое место по уровню смертности в мире). Через состояние эндотелия можно определить физическую природу конкретной патологии как в головном мозге, так и в других частях организма.
Например, главная причина геморрагического инсульта — истончение и разрыв стенок кровеносных сосудов головного мозга. При чрезмерном истончении или растяжении образуется выпячивание стенки сосуда, известное как аневризма. «Точная модель сосудистой сети может показать критический уровень истончения стенки сосуда, при котором происходит ее разрыв», — добавляет Курочкин.
Образование бляшек на внутренней поверхности артерий приводит к сужению просвета сосуда и в конечном итоге к развитию ишемической болезни сердца, а отрыв бляшки ведет к закупорке сосуда и остановке кровотока, что является причиной инфарктов и инсультов. «С помощью модели сосудистой сети можно прогнозировать перераспределение кровотока, обусловленное расширением, сужением или закупоркой сосудов», — отмечает ученый.
Состояние кровеносных сосудов актуально и для изучения заболеваний другой природы. В частности, с помощью нового метода визуализации можно исследовать опухоли, которые поглощают аномально много питательных веществ и потому обрастают кровеносными сосудами. Малярия имеет инфекционную природу, но сопровождается повышением вязкости крови, чем обусловлен потенциал картирования сосудов при изучении и этой болезни. Наконец, новый метод визуализации можно применять для изучения процесса регенерации кровеносных сосудов в ткани на месте механического повреждения, например медицинского прокола.
«Понимание поведения объектов, попавших в кровоток, имеет значение не только применительно к оторвавшимся атеросклеротическим бляшкам, но и к другим объектам, в том числе искусственным. Например, для адресной доставке лекарств используются микрокапсулы, которые вводятся в кровоток, и модели кровеносных сетей незаменимы для понимания того, что с этими микрокапсулами произойдет и как они себя поведут», — отмечает в заключение Курочкин.
*****
Сколтех — негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
