Imaginile 3D avansate dezvăluie rețelele nervoase ascunse din articulații
Disfuncțiile temporomandibulare (DTM) reprezintă un grup de peste 30 de afecțiuni care cauzează durere și disfuncție în maxilar.
Însă ce legătură ar putea avea un mic eșantion de țesut din genunchiul unui șobolan cu tratarea acestor condiții?
O nouă publicație realizată de cercetătorii de la Universitatea din Pittsburgh oferă câteva răspunsuri. În articolul „Advanced Tissue Clearing and Three-Dimensional Imaging Approaches to Visualize Neural Innervation in the Rat Knee Joints” (doi.org/10.1038/s44303-026-00167-6), Alejandro Almarza, profesor de științe orale și craniofaciale în cadrul Școlii de Medicină Dentară, a utilizat tehnici de imagistică specializate pentru a cartografia arhitectura nervilor din țesutul articulației genunchiului. Această cercetare constituie o bază esențială pentru vizualizarea modului în care tiparele nervoase din articulații cu o densitate mare de inervație sunt legate de durere, permițându-i să înțeleagă mai bine tulburările articulației temporomandibulare (ATM).
Majoritatea oamenilor își petrec viața fără dureri faciale care să nu fie legate de dantură, dar DTM acoperă o gamă foarte largă, iar cauzele care stau la baza acestor dureri sunt relativ necunoscute. În majoritatea cazurilor de DTM, problemele sunt legate de mușchi sau articulații, iar această cercetare ar putea ajuta la înțelegerea motivelor pentru care acestea apar.
Articulațiile temporomandibulare de pe ambele părți ale feței conectează maxilarul la craniu și funcționează ca o balama glisantă, permițându-ne să vorbim, să mestecăm și să bâjbâim. Relația dintre densitatea nervilor și durerea în articulații precum ATM este relativ necunoscută, iar metoda tradițională de studiere a acestor nervi implica tăierea țesutului în felii subțiri și colorarea acestora cu vopsele pentru a face celulele nervoase vizibile la microscop.
Însă, tăierea țesutului distruge structura sa tridimensională, făcând imposibilă vizualizarea ramificațiilor nervilor în interiorul unei articulații. Pentru a obține o imagine clară a acestor structuri nervoase în 3D, Almarza a colaborat cu doi profesori de la Centrul de Imagistică Biologică (CBI) al universității pentru a utiliza atât microscopia cu fluorescență în plan lumină, cât și o tehnică de imagistică cunoscută sub numele de clearing al țesutului.
„Clearingul țesutului face ca o întreagă bucată de țesut să devină transparentă pentru imagistica 3D, astfel încât să poți vizualiza nervii din interior, iar microscopul pe care l-am folosit funcționează ca un perete de lumină care parcurge volumul de țesut deodată, făcându-l mai rapid decât un microscop tradițional, în timp ce păstrează o rezoluție aproape confocală cu daune minime ale țesutului”, a declarat Almarza.
„Unele dintre cele mai bune sisteme de acest tip din lume sunt construite personalizat aici, la Pitt, de Simon Watkins, iar metodele de clearing au fost dezvoltate de Alan Watson.”
Watkins, profesor distins de biologie celulară și imunologie, a fondat CBI în 1991. Spre deosebire de o facilitate tipică bazată pe taxe, cadrele didactice de la CBI colaborează direct cu cercetătorii pentru a proiecta microscoape și tehnici de imagistică specializate de la zero. În timp ce Watkins este expert în construirea microscoapelor, colegul său, Alan Watson, profesor asociat de biologie celulară, oferă cealaltă jumătate a ecuației: infrastructura informatică, protocoalele de clearing al țesutului și expertiza în programare necesare pentru a stoca și analiza volumele imense de date produse de aceste sisteme. Deoarece nu există o soluție comercială actuală pentru imagistica nervilor în interiorul țesutului mare și dens, echipa a construit una.
„Clearingul țesutului articular nu este complet nou, dar prezintă unele provocări foarte interesante. Alejandro a venit la noi cu o problemă dificilă, cu care ne-am confruntat și noi ani de zile, iar ca grup am reușit să colaborăm și să găsim o soluție”, a declarat Watson. „Iar aceste tehnici de imagistică de mare viteză generează cantități enorme de date, așa că am dezvoltat sisteme informatice de înaltă performanță pentru a stoca, procesa și vizualiza totul.”
Echipa a comparat în cele din urmă două metode de clearing al țesutului: PEGASOS, un protocol stabilit anterior pentru țesutul care conține os, și c-Clear, dezvoltat intern la CBI. PEGASOS a lăsat în urmă autofluorescența proteinelor care au blocat atât laserul microscopului să pătrundă complet în țesut, cât și au cauzat un fundal ridicat, dar c-Clear a introdus un pas de fotobleaching de 24 de ore care a inactivat acele molecule înainte de colorare, permițând anticorpilor fluorescenți să se lege de neurofilament și să producă o hartă tridimensională completă a nervilor din articulație.
„Metoda c-Clear durează aproximativ șase până la opt săptămâni pentru a obține o imagine, făcând-o mult mai laborioasă și consumatoare de timp decât metodele histologice normale, dar rezultatul este o reprezentare extrem de puternică și clară a modului în care aceste nervuri se ramifică”, a spus Almarza.
C-Clear are totuși un dezavantaj semnificativ: dimensiunea imensă a datelor generate. O singură hartă nervoasă tridimensională a genunchiului conține aproximativ un terabyte de informații, iar întreaga colecție a proiectului ajunge la aproximativ 16 terabytes. Din fericire, această performanță este susținută de infrastructura informatică a CBI: șapte petabytes de stocare și un cluster GPU H200 utilizat pentru a îmbina, curăța și analiza fiecare set de date, făcând posibilă depunerea întregii colecții public pentru oricine să acceseze și să descarce pe portalul SPARC al Institutului Național de Sănătate.
„Cred că suntem primii care publicăm acest nou tip de set de date de imagistică pe portal”, a afirmat Almarza. „Fotografiile și videourile sunt uimitoare, iar următoarea noastră provocare este cuantificarea și găsirea canalelor computaționale pentru a analiza cu adevărat ceea ce vedem.”
În cele din urmă, privirea asupra genunchiului unui șobolan poate părea îndepărtată de articulația care ajută oamenii să mestecă și să vorbească, dar conexiunea este deliberată. Prin Inițiativa NIH HEAL, Almarza face parte din Consorțiul ReJoin, un proiect de 50 de milioane de dolari destinat cartografierii arhitecturii nervoase în întreaga articulații, specii și stări de boală pentru a extinde înțelegerea semnalizării durerii. Cu c-Clear acum validat pe unele dintre cele mai provocatoare țesuturi întâlnite de consorțiu, Almarza își poate concentra atenția asupra structurii pe care a dorit să o studieze de la început.
„Există foarte mulți oameni ale căror radiografii arată că ar trebui să aibă dureri în ATM, dar de fapt se descurcă foarte bine”, a spus Almarza. „Este din cauza tip
