Díky metodě mikro CT vědci z CEITEC pomohli objasnit roli klíčových genů při vývoji hlasu a sluchu u savců

Vědci z CEITEC VUT se podíleli na mezinárodní studii, která odhalila zásadní roli specifických genů při vývoji hlasového a sluchového aparátu savců. Pomocí metody výpočetní tomografie vytvořili detailní 3D modely myších embryí, jež umožnily popsat orgánové změny, ke kterým dochází po inaktivaci těchto genů. Výsledky výzkumu, realizovaného ve spolupráci s francouzskými biology, byly publikovány v odborném časopise PLOS One.

CEITEC: Díky metodě mikro CT vědci z CEITEC pomohli objasnit roli klíčových genů při vývoji hlasu a sluchu u savců

Laboratoř rentgenové mikro- a nano-výpočetní tomografie (CTLAB CEITEC) na CEITEC VUT se dlouhodobě věnuje vývoji metody nedestruktivního testování, která nachází široké uplatnění především v průmyslu. Toto know-how však stále častěji přesahuje hranice technických oborů a uplatňuje se také v biologii a medicíně. Příkladem je spolupráce s francouzským výzkumným týmem, v rámci které se vědci zaměřili na vliv vybraných genů na vývoj hlasového traktu a sluchového systému savců.

Úkolem brněnských vědců bylo detailní skenování biologických vzorků a následná tvorba přesných 3D modelů. Ty umožnily nahlédnout do vnitřní struktury myších embryí bez jejich poškození a přesně popsat změny vznikající v důsledku genetických zásahů.

Studie se zaměřila na inaktivaci genů Dlx5/6 u myších embryí. Tyto geny hrají zásadní roli při vývoji končetin, obličejových struktur i hlasového a sluchového aparátu. Výzkum vycházel z konceptu pleiotropie, který předpokládá, že jeden gen může ovlivňovat více různých vlastností organismu současně. Právě tento princip vedl vědce k hypotéze, že geny Dlx5/6 mohou současně formovat všechny složky akustického komunikačního systému savců.

CEITEC VUT: Kontrola vs mutant mikroCT

Aby bylo možné vývojové změny přesně identifikovat, kombinovali biologové klasické histologické metody s moderní mikro-CT tomografií. Této části výzkumu se ujali vědci z CEITEC VUT Markéta Kaiser a Tomáš Zikmund. Pomocí výpočetní tomografie vytvořili detailní trojrozměrné modely embryí, které umožnily porovnat zdravé a geneticky modifikované vzorky.

Desítky tisíc snímků a stovky hodin precizní práce

Výpočetní mikro-tomografie funguje na stejném principu jako lékařské CT, avšak s výrazně vyšším rozlišením – až na úrovni pěti mikrometrů, tedy velikosti červené krvinky. „Na rozdíl od zdravotnických přístrojů, kdy se zdroj záření a detektor otáčí kolem pacienta, a ještě se pečlivě hlídá čas, aby vyšetření bylo pro člověka bezpečné, se my tímto zabývat nemuseli, vzorky totiž nebyly živé. Proto jsme při skenování každého z nich otáčeli jen zkumavkou, což je postup, který vzhledem k vyšším dávkám záření zaručuje vyšší rozlišení,” vysvětluje Kaiser.  

Každý vzorek byl během několika hodin skenování zaznamenán do přibližně dvou tisíc snímků, z nichž postupně vznikl rozsáhlý datový soubor. Protože rentgenové záření přirozeně hůře zobrazuje měkké tkáně, bylo nutné vzorky před skenováním barvit roztoky těžkých kovů.

Nejnáročnější část práce přišla po samotném skenování. Vědci museli analyzovat desetitisíce obrazových řezů v odstínech šedi a ve spolupráci s francouzskými biology přesně identifikovat jednotlivé orgány a tkáně. Následná rekonstrukce 3D modelů vyžadovala opakované kontroly a detailní porovnávání s původními daty. „Tuto metodu jsme na CEITEC začali používat a systematicky rozvíjet jako jedni z prvních. Díky ní dokážeme zobrazit i velmi jemné struktury, například chrupavky, a sledovat jejich prostorové uspořádání,“ doplňuje Kaiser. Část procesu dnes urychlují nástroje umělé inteligence, které pomáhají automatizovat rozpoznávání konkrétních struktur – podobně jako se AI využívá například při analýze lékařských CT snímků.

Výsledky studie ukázaly, že inaktivace genů Dlx5/6 způsobuje závažné poruchy svalově-kosterního systému všech orgánů hlasového traktu, a zároveň ovlivňuje vývoj vnějšího, středního i vnitřního ucha. Vědci tak jednoznačně prokázali pleiotropní roli těchto genů při formování kompletního hlasového a sluchového aparátu savců.

CEITEC VUT: Kontrola vs mutant mikroCT - jazyk

Technologie z CEITEC otevírají nové možnosti biologického výzkumu

Podle Markéty Kaiser byla úspěšná spolupráce s francouzským týmem možná díky dlouhodobým zkušenostem laboratoře s aplikací výpočetní tomografie v biologickém výzkumu. Vědci z CEITEC VUT se v minulosti podíleli na řadě projektů zaměřených na vývoj orgánů a tkání, které vyžadují detailní, a zároveň nedestruktivní pohled do vnitřní struktury vzorků.

„Tento projekt dobře ukazuje, jak může špičková zobrazovací technologie pomoci biologům odpovědět na otázky, které by bylo jinými metodami velmi obtížné nebo nemožné řešit. Díky 3D modelům jsme byli schopni přesně popsat, jak inaktivace genů Dlx5/6 ovlivňuje celý komplex orgánů zodpovědných za tvorbu hlasu a sluchu. Právě propojení technických a biologických přístupů je klíčem k pochopení takto složitých vývojových procesů,“ uzavírá Markéta Kaiser.

CEITEC VUT: Kontrola vs mutant mikroCT - ucho