Egy Mágneses Rezonancia Mikroszkópia elnevezésű eljárás segítségével felfedhető az embrionális fejlődés minden titka.
Egy teljesen új élmény vár rám minden egyes reggel, amikor belépek az In Vivo Mikroszkópia Intézet ajtaján, ami a Duke Egyetem Orvosi Központján belül működik. Az újdonságot emberi magzatokról készített teljesen újfajta képi megjelenítés jelenti, amit egy mágneses rezonancia mikroszkóp (MRM) nevű új eljárás tesz lehetővé. Ezek a háromdimenziós képek nemcsak, hogy újak, de felemelők is. Ezek a „virtuális” embriók teszik lehetővé, hogy számítógép-szimulált utazásokat tehetünk a fejlődés kezdeti stádiumaiban lévő emberi szervezetek belsejében. A képek segítségével animált filmeken lehet bemutatni az embrionális fejlődést, ami mindeddig elképzelhetetlen volt.
Az ilyen pontos információkat egyre inkább követelik a biológusok, hogy könnyebben felismerhessék a természetes és az abnormális fejlődés különböző folyamatait, és megismerhessék, hogy milyen faktorok játszanak szerepet a rendellenes fejlődésben. A legtöbb jelenlegi adat egészséges és genetikailag manipulált állatok embrióinak két dimenzionális metszeteiből származik. Ahhoz, hogy az emberi magzati deformációkat és betegségeket feltérképezhessék, és gyógyítani tudják, elengedhetetlen, hogy a tudósok rendelkezésére álljon minden az emberi fejlődéssel kapcsolatos minden információ is, amelyet párhuzamba állíthatnak az állatoknál szerzett megfigyelésekkel.
Tartósított korai emberi magzat (64. nap) a mágneses rezonancia mikroszkóp (MRM) és tradicionális fénymikroszkóp (kis kép) által láthatóvá téve. Ebben a fázisban az embrió kb. 3 cm nagy. Komputer megjelenítő eljárások segítségével lehetséges, hogy az embrió bizonyos részei áttetszővé váljanak, míg a többi opálos marad. A minta áttetszőségének ekképpen való változtatásával a kutatók megfigyelhetik a belső szerveket tetszőleges részletességben és mélységig anélkül, hogy az embriót roncsolnák (a-c). A kutatók képesek továbbá ráközelíteni a képre, forgathatják az embriót (d-f) vagy a szegmentációnak nevezett eljárással bármely szervre vagy szervrendszerre fókuszálhatnak, mint például egy fejlődő tüdő (g-k).
Egészségügy és Fejlődés Intézettől, hogy a kincset érő Carnegie Emberi Embrió Gyűjteményből állítsak össze egy on-line virtuális embrió adatbázist. A Carnegie Gyűjtemény a washingtoni Haderők Patológiai Intézetén belül, a Nemzeti Egészség és Gyógyászat Múzeumban található. Az összes embrionális fejlődési stádiumból találhatók benne tartósított emberi embriók, kezdve a megtermékenyítéstől számított első napostól a nyolc hetesig, emellett vannak még korai stádiumokban lévő magzatok is (az embriót 8 hetes kora után már magzatnak nevezik). A legkisebb minta kb. 0,2 mm hosszú, míg a legnagyobb kb. 3 cm-es, azaz akkora, mint egy mandulaszem. A Carnegie Gyűjtemény nagy részét vetélések, és abortuszok során gyűjtötte össze az embriológus Franklin Paine Mall, 1887 és 1917 között. A jelenlegi gyűjtemény tartalmaz még olyan embriókat is, amelyeket terhes halott nők boncolásakor távolítottak el.
A gyűjtemény gondozói az embrionális fejlődést 23 fázisra osztják fel olyan élesen meghatározható jelenségek alapján, mint például a végtag kezdemények megjelenése.
A Nemzeti Gyermek Egészségügy és Fejlődés Intézete megbízott, hogy készítsek MRM felvételeket embriókról a 10. Carnegie fázistól (megtermékenyítés után 22 nap) – amikor az első pharingeális ív kialakul, ami később az állkapocs része lesz – egészen a magzati fejlődés első hetéig. (A Carnegie Gyűjtemény anyagából Dale S. Huff, a Philadelphia Gyermekkórház orvosa válogatta össze azokat a mintákat, amelyek a legmegfelelőbbek voltak.) Munkám eredménye nemsokára minden fejlődéstanos biológusnak és orvosnak – és természetesen minden érdeklődőnek is – a rendelkezésére fog állni az Interneten. (A Multidimenzionális Emberi Embrió Honlap elérhető a http://embryo.soad.umich.edu/ címen.)
Hogy az ilyen még soha nem látott képeket előállíthassam, az embriókat óvatosan egy-egy üvegcsébe helyezetem, amit utána egy szupervezető mágnesbe helyeztem. Az MRM eljárás hasonlít a mágneses rezonancia feltérképezéshez (MRI), amit sok kórházban használnak. Csakúgy, mint az MRI-nél,
Carnegie fázis (44. nap) A háromdimenziós kép keresztmetszetei még részletesebb képet ad az emberi embrióról – ebben az esetben egy 44 napos, azaz 18. Carnegie fázisban lévő embrió (fénymikroszkóppal bemutatott). Az embrió, ami kb. babszem méretű, még hártyás ujjakkal rendelkezik, de már fejlődik ki a két féltekés agya, gerincoszlopának kezdeménye (vonalkaszerű szerkezet a képen) és a belső szervek.. Az MRM lehetővé teszi, hogy a tudósok egy adott preparátum sok különböző irányba szelt metszeteit is megvizsgálhassák. Rengeteg információt képes adni a minta belső szerkezetéről anélkül, hogy megrongálná azt.
Az MRM sokkal részletesebb képet tud adni, mint ami az orvoslásban szükséges. Míg az MRI 1 mm3-en egy voxel (térfogat egység) felbontású képet képes előállítani, az MRM akár egymilliószor kisebb voxelnyi egységeket is képes láthatóvá tenni. Ezt a részletesebb képet úgy éri el, hogy erősebb mágneseket használ nagyobb dőlésszögön, hogy megkavarja a mágneses mezőt, és emellett kisebb feltérképező tekercseket alkalmaz, amelyekben az aprócska minták nem vesznek el.
Az MRM eljárást G. Allan Johnson és kollégái fejlesztették ki a Duke Egyetemen. A feltérképezés nem rongálja meg a mintát, míg a tradicionális mikroszkópoknál a megfigyelendő embriókat a kutatóknak szó szerint apró darabokra, szeletekre kell vagdalniuk. Az MRM képes az optikai mikroszkópos modell készítési idejének tört része alatt generálni egy torzításmentes, háromdimenziós virtuális embriót. Míg egy-egy ilyen virtuális feltérképezés kevesebb, mint 2 órát igényel, csupán a hagyományos mikroszkóp mintaszeletkéinek összerakása több mint száz órás feladat.
Bár az MRM részletes háromdimenziós adatokkal szolgál, a tudósok mégis egy szoftver segítségével állítják elő a végső képet. Hogy az olyan ábrákat, mint amilyenek ebben a cikkben is szerepelnek, elő tudjuk állítani, kollégáim és én egy tér-rendező programot használunk, amivel az egyes MRM szeleteket – összesen 128 darab, mindegyik 256×256 pixeles – egy 8,4 millió voxel méretű kockába állítja össze. Mindegyik voxel az embrió egy parányi részletét mutatja meg. A program levetővé teszi, hogy ezt a voxel mátrixot tetszőleges irányba elforgassuk, bárhol kettészeljük, vagy akár tetszőlegesen színeket rendeljünk a különböző jelsűrűségű területekhez. Ezután számítógépes algoritmusok segítségével virtuális fénysugarakat küldünk át az embrión, amelyeket módosítják a voxelek, amiken áthaladnak, és így alakul ki az a kép, ami a monitoron látható. Képesek vagyunk arra is, hogy bármilyen irányban metszetet vágjunk a mintából, hogy áttetszővé tegyük felszínét, hogy a belső szerkezet láthatóvá váljon, vagy hogy bármely belső szervrendszerét izoláljuk, és önmagában vizsgáljuk meg.
A Multidimenzionális Emberi Embrió lehetővé teszi majd a kutatóknak, hogy bárhol a földön használhassák a pótolhatatlan Carnegie Gyűjteményt, és hogy több információt nyerjenek belőle, mint eddig lehetséges volt. Biztosak vagyunk abban, hogy ez az on-line anyag nagy segítség lesz abban, hogy az orvosok az MRI és ultrahang használatával a fejlődési rendellenességeket időben felismerhessék. Értékes vizuális információval szolgálhat még az olyan laboratóriumoknak is, ahol a kutatóknak nincs kellő szakértelme az embriológia területén, továbbá az embrionális anatómiát tanuló diákoknak is. Ezek a látványos háromdimenziós képek segítségével egy egyedülálló emberi embrió gyűjteményt is képesek leszünk megőrizni az örökkévalóságnak.
Carnegie fázis (47. nap) Idegcső egy 47 napos emberi embrióban (a magzatburokban, fénymikrográf segítségével megjelenítve) MRM segítségével megvizsgálva. A digitális képek változtatásával a kutatók „átrepülésnek” nevezett komputer animációkat képesek előállítani, amivel látni lehet az idegcsövet, amiből később az agy és a gerincvelő fog kialakulni. Ebben az „átrepülésben” az embriót körbeforgatják (a-c), miután a néző belép az idegcsőbe (d) hogy egy virtuális utazást tegyen a koponya felé, ahol később az agylebernyegek kifejlődnek. Az utazás folytatódik a hátsóagyban, át a negyedik lebernyeg tetején át a középagyba (e-h) mielőtt kihátrálna az üregből (i, j), hogy megmutassa az agykéreg féltekéit.
19. Carnegie fázis (47. nap) Pszeudoszínezés teszi lehetővé, hogy a kutatók különböző színeket rendeljenek különböző szervekhez és szövetekhez az MRM képeken, mint az itt látható 47 napos embrió fejlődő szerveinél. Az itt látható színezett képeken a leendő retina narancsos-sárgán látszik a szemüregben; borostyán oválisok jelzik, ahol a gerincoszlopból az idegpályák kilépnek; a máj világos zölden sugárzik a hasüregben és a fejlődésben lévő fülek zöldnek látszanak a vállak fölött. A képeken jól látszanak a kialakuló porcos bordák a karok alatt és az ujjak közötti hártyák visszahúzódása.