Manyetik rezonans görüntüleme ve x-ışını floresanını entegre eden yeni bir yöntem, nörodejeneratif hastalıklarla bağlantılı toksik demir formlarını tek nöron hassasiyetiyle belirleyebilir.
Demir yaşam için, özellikle de kanımızdaki oksijenin taşınmasında çok önemlidir. Ayrıca hücresel enerji üretimi, bağışıklık tepkisi ve dopamin ve diğer nörotransmitterlerin sentezlenmesine yardımcı olduğu beyin fonksiyonu için de hayati önem taşır.
Bununla birlikte, demir aşırı miktarda zararlı olabilir ve dopaminerjik nöronların dejenerasyonunu içeren Alzheimer, multipl skleroz ve Parkinson gibi nörodejeneratif hastalıklarla bağlantılıdır. Demirin toksisitesinin depolama biçimine bağlı olduğuna inanılmaktadır: ferritin gibi proteinlere sıkıca bağlanmış demir daha az toksikken, gevşek bağlanmış demir zararlı hidroksil radikalleri üretebilir.
Doğal ortamını bozmadan demirin bağlanma durumunu belirlemek zor olmuştur. Yakın zamanda, Almanya’daki Max Planck’tan Malte Brammerloh ve meslektaşları, tek nöron düzeyinde demir bağlanmasını karakterize etmek için yeni bir yöntem geliştirdi.
Bu ilerleme, demirin nörotoksisitedeki rolüne ilişkin anlayışımızı geliştirebilir ve Parkinson gibi hastalıkların erken teşhisine yardımcı olabilir.
Manyetik rezonans görüntüleme (MRI), vücudun iç yapılarının üç boyutlu görüntülerini sağlayan önde gelen bir tıbbi görüntüleme tekniğidir. Hidrojen atomlarındaki protonların spinlerine karşı oldukça hassastır ve esas olarak vücuttaki su dağılımını gösterir. Ancak MR, suyun yeri ve miktarından daha fazlasını ortaya çıkarabilir. Radyo frekanslı manyetik darbelerin belirli dizilerini kullanarak, MRI suyun sabit mi yoksa hareketli mi olduğunu belirleyebilir ve nükleer manyetik rezonans (NMR) gevşeme sürelerini ölçebilir.
T1 ve T2 olarak bilinen bu gevşeme süreleri, radyo frekansı darbeleri tarafından indüklenen manyetizasyonun sırasıyla MRI alanına uzunlamasına ve enlemesine yönlerde nasıl azaldığını gösterir. Gevşeme süreleri, çevredeki doku ortamından, özellikle de ölçülen moleküllerin etrafındaki manyetik alanlardaki spatiotemporal varyasyonlardan etkilenir. Sonuç olarak, MR öncelikle suyu görüntülerken, suyun NMR gevşeme sürelerindeki değişiklikleri gözlemleyerek demir gibi manyetize edilebilir metallerin varlığını ve alan gücünü de çıkarabilir.
MRI’nin vücuttaki demirin manyetik alanlarını noninvaziv olarak tespit etme yeteneği, birkaç on yıl boyunca çok sayıda beyin-demir çalışmasını desteklemiştir. Ancak bu, demirin bağlanma şeklinin ve potansiyel toksisitesinin belirlenmesine izin vermez. Bu bilgi, bir malzemenin manyetik bir alanda ne kadar kolay mıknatıslandığını gösteren manyetik duyarlılığın ölçülmesiyle elde edilebilir. Ferritine bağlı olduğu gibi sıkı bağlanmış demir, düşük afiniteli bölgelere gevşek bağlanmış demire kıyasla tipik olarak antiferromanyetik bir kristal yapıya ve daha düşük manyetik duyarlılığa sahiptir. Bu fark, farklı toksisitelere sahip demir depolarının manyetik duyarlılıklarına göre ayırt edilebileceğini düşündürmektedir.
Kantitatif duyarlılık haritalaması (QSM) gibi mevcut MRI tekniklerinin, manyetik alan haritalarını manyetik duyarlılık haritalarına dönüştürerek bu ayrımı yapabilmesi beklenebilir.
Bununla birlikte, görüntülenen bir voksel (bir pikselin üç boyutlu eşdeğeri) içindeki bir malzemenin genel duyarlılığının belirlenmesi, o voksel içindeki demirin spesifik duyarlılığını mutlaka ortaya çıkarmaz. Az miktarda yüksek duyarlılıklı (ve muhtemelen yüksek toksisiteli) paramanyetik demir, büyük miktarda düşük duyarlılıklı (ve muhtemelen düşük toksisiteli) paramanyetik demir ile aynı manyetik momenti ve genel duyarlılığı üretebilir.
Bu belirsizliğin çözülmesi, yalnızca MRI’nin sağlayabileceği malzeme tarafından üretilen manyetik momentin değil, aynı zamanda mevcut mıknatıslanabilir malzemenin miktarının da anlaşılmasını gerektirir. Brammerloh ve meslektaşları bunu, iki ek teknik kullanarak her vokseldeki demir içeriğini ayrı ayrı belirleyerek başardı: proton kaynaklı x-ışını emisyonu ve x-ışını floresanı.
Daha da önemlisi, araştırmacılar hücrelerin tipik MRI voksel boyutlarından daha küçük olmasına rağmen tek hücre çözünürlüğü elde ettiler. Bunu yapmak için, voksel boyutunu küçültmek ve tek bir hücrenin boyutuna yaklaştırmak için ultra yüksek alanlı bir MRI tarayıcısı kullandılar. Bununla birlikte, tek bir hücrede demir tarafından üretilen manyetik alan o kadar zayıftır ki, etkisi bir veya iki vokselin ötesine geçmeyebilir. Bu durum, sinyalin hücrenin görüntüleme voksel ızgarasına göre kesin konumuna bağımlılığından kaynaklanan artefaktlar olan “kısmi hacim etkileri” nedeniyle demir duyarlılığı ölçümlerinin yorumlanmasını zorlaştırmaktadır.
Neyse ki, incelenen örneklerde demir içeren nöronlar birbirlerinden iyi bir şekilde ayrılmıştı. Bu da araştırmacıların voksel boyutundan çok daha küçük bir belirsizlikle ilgilenilen nöronları tam olarak belirlemelerine olanak sağladı. Bunu, görüntü verilerini, demir kaynaklarını uzak alanda doğru bir yaklaşım olan izole manyetik dipoller olarak modelleyerek tahmin edilen sinyallere uydurarak başardılar.
Araştırmacılar, yüksek çözünürlüklü manyetik rezonans görüntüleme mikroskopisi ve proton kaynaklı x-ışını emisyonu ve x-ışını floresanı yoluyla demir miktarının ölçülmesinin bir kombinasyonunu kullanarak, postmortem beyin dokusu örneklerinde bireysel insan dopaminerjik nöronlarının demir duyarlılığını değerlendirebileceklerini iddia ediyorlar. Araştırmacılar, hücresel demirin büyük bir kısmının normalde ferritinde tutulmasına rağmen, inceledikleri dopaminerjik nöronlarda demirin çoğunlukla düşük afiniteli bölgelere bağlandığını keşfettiler. Bu durum, dopaminerjik nöronların demir zehirlenmesine karşı daha önce düşünülenden daha duyarlı olduğu anlamına geliyor.
Cesaret verici sonuçlara rağmen, mevcut analizde sadece iki test örneği kullanıldığı için daha fazla doğrulama gerekmektedir. Doğrulanması halinde, bu yeni yaklaşım demir toksisitesinin MRI ile araştırılmasını büyük ölçüde ilerletebilir ve bir dizi nörodejeneratif hastalığın erken teşhisi için MRI ile okunabilir yeni biyobelirteçlerin oluşturulmasına yardımcı olabilir.
