NAUKA W OBRAZACH
ab c d e
Wczesny p"ód (64 dni)
PodróŻ do wntrza
ludzkich zarodków
Nowoczesna technika mikroskopii
pozwala odkry tajemnice wczesnych
stadiów rozwojowych cz"owieka
Bradley R. Smith
iesamowite widoki czekają na mnie kaŻdego ranka, kiedy przybywam
do Center for In Vivo Microscopy w Duke University Medical Center.
CSą to obrazy wntrz zakonserwowanych ludzkich zarodków, uzyska-
ne dzi ki technice mikroskopii opartej na zjawisku rezonansu magnetycznego
MRM (magnetic resonance microscopy). Te trójwymiarowe obrazy są jednocze-
Ęnie poruszające i pouczające. Wirtualne zarodki pozwalają mi na symulowa-
ne podróŻe po wszystkich uk"adach cia"a cz"owieka w najwczeĘniejszych sta-
Obraz
spod mikroskopu optycznego diach jego istnienia. Dziki tym obrazom próbuj takŻe animowa rozwój
zarodkowy, co do tej pory nie by"o moŻliwe.
Tak szczegó"owe informacje są coraz czĘciej poszukiwane, poniewaŻ biolo-
dzy starają si pozna kolejne etapy zarówno prawid"owego, jak i nienormalnego
rozwoju oraz czynniki kierujące tymi procesami. Niemal ca"a wiedza na ten te-
mat pochodzi z obserwacji dwuwymiarowych preparatów, wykonanych z zarod-
ków zwierząt prawid"owo ukszta"towanych i zmienionych genetycznie. Aby
jednak skuteczniej diagnozowa i leczy wrodzone wady rozwojowe i choroby,
naleŻy powiąza informacje uzyskane dziki obserwacjom takich modeli zwie-
rzcych z odpowiednimi wczesnymi stadiami rozwojowymi cz"owieka.
W 1996 roku National Institute of Child Health and Human Development
(NICHD Krajowy Instytut Zdrowia Dziecka i Rozwoju Cz"owieka) zleci" mi
ZAKONSERWOWANY PÓD LUDZKI (64 dni po zap"odnieniu) widoczny pod mikro-
skopem wykorzystującym rezonans magnetyczny (MRM) oraz obraz spod tradycyjne-
go mikroskopu optycznego (ma"a wstawka powyŻej). W tym stadium rozwoju zaro-
dek ma oko"o 30 mm d"ugoĘci. Techniki wizualizacji komputerowej pozwalają uczyni
wybrane czĘci zarodka pó"przezroczystymi, pozostawiając reszt nieprzejrzystą.
Dziki temu badacze mogą zobaczy jego wewntrzne struktury na róŻnych g"boko-
Ęciach i w naturalnym po"oŻeniu, nie uszkadzając przy tym próbki (a c), a takŻe p"yn-
nie powiksza, zmniejsza i obraca obraz zarodka (d f). Stosują teŻ procedur na-
zywaną segmentowaniem , aby skoncentrowa si na wybranych organach, takich
jak rozwijające si p"uca (g k).
fg h i j k
WIAT NAUKI Maj 1999 49
Wszystkie ilustracje BRADLEY R. SMITH
18 stadium Carnegie (44 dni)
PRZEKRÓJ przez trójwymiarowy obraz
ods"ania najdrobniejsze szczegó"y wn-
trza ludzkiego zarodka w tym przypad-
ku utrwalonego 44 dni po zap"odnieniu,
w momencie rozwoju okreĘlonym jako 18
stadium Carnegie (powyŻej obraz spod
mikroskopu optycznego). Zarodek wiel-
koĘci mniej wicej nasienia fasoli ma pal-
ce rąk i nóg wciąŻ po"ączone b"oną, jed-
nak jego mózg sk"ada si juŻ z dwóch
pó"kul, rozwin"y si zawiązki krgów
(struktura przypominająca ga"ki liczyd"a
na prawym skrawku) i organów wewntrz-
nych. Technika MRM pozwala badaczom
zobaczy wiele róŻnych planów przekro-
ju danego okazu. Zapewnia bogactwo
informacji o wntrzu zarodka bez jego
zniszczenia.
CEWKó NERWOWŃ 47-dniowego zarodka ludzkiego (poniŻej z lewej w worku owodnio-
wym; zdjcie spod mikroskopu optycznego) moŻna analizowa za pomocą techniki MRM.
Manipulując obrazami cyfrowymi, badacze odbywają spacer przez cewk nerwową,
z której powstanie mózg i rdzeł krgowy. Podczas takiego spaceru zarodek jest obraca-
ny (a c), dziki czemu obserwator wchodzi w cewk nerwową (d) i wirtualnie podróŻu-
je przez pcherzyki mózgowe, które staną si póęniej komorami mózgu. Program prowa-
dzi nas kolejno przez dach czwartej komory do ty"omózgowia, a nastpnie do Ęródmózgowia
(e h), po czym wycofuje si z komory (i, j), aby pokaza pó"kule mózgowe.
ab c
19 stadium Carnegie (47 dni)
rezonansu magnetycznego (MRI magnetic
opracowanie na podstawie bezcennych zbio- resonance imaging) stosowanej w wielu szpi-
rów Carnegie Collection of Human Embryos talach. Tak samo wykorzystuje fale o czsto-
ogólnie dostpnej bazy danych zawierającej tliwoĘci radiowej do wzbudzania i wykrywa-
wirtualne wizerunki zarodków ludzkich. Car- nia protonów cząsteczek wody znajdującej si
negie Collection, mieszcząca si w Museum w tkankach. MRM ujawnia jednak znacznie
of Health and Medicine w Armed Forces In- wicej szczegó"ów, niŻ jest to konieczne czy
stitute of Pathology w Waszyngtonie, to zbiór uŻyteczne w diagnostyce medycznej. ChociaŻ
zakonserwowanych ludzkich zarodków od dziki MRI uzyskuje si obrazy o rozdzielczo-
pierwszego dnia do ósmego tygodnia po za- Ęci wokselowej (woksel jest umowną kompu-
j
p"odnieniu, a takŻe wczesnych stadiów roz- terową jednostką objtoĘci) wynoszącej 1 mm3,
wojowych p"odów (zarodek staje si p"odem to MRM rejestruje woksele milion razy mniej-
w dziewiątym tygodniu Życia). Najmniejszy sze. Tak duŻą rozdzielczoĘ uzyskujemy, sto-
okaz ma oko"o 0.2 mm, najwikszy zaĘ jest sując silniejsze magnesy, wiksze gradienty
wielkoĘci migda"a jego d"ugoĘ wynosi mniej do zak"ócania pola magnetycznego oraz mniej-
wicej 30 mm. Podstaw Carnegie Collection sze cewki diagnostyczne, pozwalające otrzy-
stanowią zarodki i p"ody uzyskane w wyni- ma obraz tych malełkich próbek.
ku samoistnych lub sztucznych poronieł, zgro- Technika MRM opracowana w Duke Uni-
madzone w latach 1887 1917 przez embrio- versity przez G. Allana Johnsona i jego wspó"-
loga Franklina Paine a Malla. Obecnie zbiór pracowników nie uszkadza zarodków. WczeĘ-
zawiera równieŻ zarodki uzyskane w ruty- niej, by zobaczy je pod normalnym mikrosko-
nowych sekcjach zw"ok ciŻarnych kobiet. pem, naukowcy musieli cią próbki na setki
Autorzy tej kolekcji podzielili rozwój zarod- cieniutkich skrawków histologicznych. Dziki
kowy na 23 stadia na podstawie charaktery- MRM moŻna uzyska nie zniekszta"cone trój-
stycznych etapów, takich jak pojawienie si za- wymiarowe wirtualne zarodki zaledwie w
i
wiązków kołczyn. NICHD zobowiąza" mnie u"amku czasu potrzebnego do zebrania infor-
do stworzenia za pomocą techniki MRM wize- macji o ich budowie za pomocą mikroskopu
runków zarodków, począwszy od tzw. 10 sta- optycznego.
dium Carnegie (22 dni po zap"odnieniu), kie- ChociaŻ technika MRM pozwala tworzy
dy pojawiają si pierwsze dwa "uki skrzelowe. zbiory szczegó"owych trójwymiarowych da-
Pierwszy z nich stanie si czĘcią szczk pod- nych, to jeĘli chodzi o prezentacj wyników,
czas pierwszego tygodnia rozwoju p"odowe- naukowcy polegają na oprogramowaniu kom-
go. (Dale S. Huff z Children s Hospital w Fila- puterowym. Aby uzyska obrazy takie jak
delfii przejrza" zbiory Carnegie Collection, aby przedstawione w tym artykule, ja i moi wspó"-
wybra najlepiej nadające si zarodki.) Owoce pracownicy uŻywamy programu renderują-
mojej pracy zostaną udostpnione embriolo- cego (volume-rendering software; s"uŻy on do
gom i lekarzom, a takŻe wszystkim zaintereso- uzyskiwania obrazów przestrzennych przyp.
wanym na stronie internetowej WWW, zatytu- t"um.). Gromadzimy w ten sposób poszczegól-
h
"owanej Multidimensional Human Embryo ne przekroje zarodka uzyskane dziki techni-
[patrz: Literatura uzupe"niająca, strona 53]. In- ce MRM w sumie jest ich 128, kaŻdy wielko-
formacje o 14, 15, 17, 19, 22 i 23 stadiach Carne- Ęci 256 x 256 pikseli i tworzymy matryc
gie juŻ tam są; dane dotyczące pozosta"ych znaj- szeĘcienną z"oŻoną z 8.4 mln wokseli. KaŻdy
dą si na tej stronie do czerwca 2000 roku. z nich stanowi malełki fragment obrazu za-
Aby stworzy wizerunki ludzkich zarod- rodka. Program pozwala nam obraca t ma-
ków, starannie wk"adam kaŻdy z nich do pro- tryc, odcina warstwy wokseli, a nawet ko-
bówki, którą nastpnie umieszczam w magne- lorowa je lub zmienia ich skal szaroĘci,
sie nadprzewodzącym. Technika MRM jest opierając si na takich kryteriach jak inten-
podobna do uzyskiwania obrazów metodą
de f g
WIAT NAUKI Maj 1999 51
KOLOROWANIE obrazów uzyskanych za pomocą MRM pozwala ba-
19 stadium Carnegie (47 dni)
daczom uwidoczni róŻne struktury, takie jak rozwijające si organy
w widocznym na ilustracji 47-dniowym zakonserwowanym zarodku.
Na kolorowych obrazach powyŻej i poniŻej kielich oczny (rozwijają-
ca si siatkówka) jarzy si pomarałczowoŻó"tą barwą. Bursztynowe
owale to zwoje nerwowe miejsca, w których nerwy wychodzą z rdze-
nia krgowego. Wątroba przeĘwieca przez brzuch jasną zielenią,
a rozwijające si ucho jest dobrze widoczne powyŻej barku jako zie-
lony obiekt. Obrazy uwidaczniają takŻe formowanie si Żeber chrzst-
nych pod ramieniem i nieznaczną redukcj b"ony midzy palcami.
52 WIAT NAUKI Maj 1999
wyizolowa optycznie poszczególne organy lub uk"ady do
sywnoĘ wysy"anego sygna"u. Nastpnie uŻywamy kom- przeglądu i pomiarów.
puterowych algorytmów do przepuszczenia wirtualnych Realizacja programu Multidimensional Human Embryo
promieni Ęwiat"a przez kaŻdą matryc od ty"u do przo- pozwoli naukowcom na ca"ym Ęwiecie zapozna si z cen-
du. Promienie są modyfikowane przez napotkane woksele nymi zasobami Carnegie Collection i zebra wicej informa-
i w rezultacie powstaje cji o zarodkach. Wraz z moimi wspó"pracownikami przewi-
obraz na monitorze kom- dujemy, Że taki zbiór danych bdzie niezwykle uŻyteczny do
putera. Dziki temu uzy- szkolenia lekarzy klinicystów w wykrywaniu wad rozwojo-
skujemy dowolne prze- wych za pomocą metody rezonansu magnetycznego i ultra-
kroje cyfrowych obra- sonografii. Dostarczy takŻe cennych danych wprost do labo-
zów, a takŻe, czyniąc po- ratoriów wszystkich naukowców, którym bdą potrzebne.
wierzchni okazu prze- Tworząc te niezwyk"e obrazy, zostawimy potomnoĘci jedyną
zroczystą, uwidaczniamy w swoim rodzaju kolekcj ludzkich zarodków.
jego struktury wewntrz-
T"umaczy"a
ne. Dodatkowo moŻemy Joanna Grabarek
17 stadium Carnegie (41 dni)
T1 T2 Dyfuzja
ZARODEK 41-DNIOWY u góry na zdjciu spod mikro-
skopu optycznego uchwycony wraz z pcherzykiem Żó"t-
kowym ma dobrze zróŻnicowane tkanki, które moŻna
Informacje o autorze
ogląda szczegó"owo na obrazach uzyskanych dziki za-
BRADLEY R. SMITH jest docentem na Wydziale Radiologii
stosowaniu trzech odmiennych technik MRM: pomiaru cza-
Duke University Medical Center, gdzie stosuje technik
su relaksacji T1 i T2 oraz pomiaru dyfuzji. Pozwalają one na
MRM do badał nad uk"adem sercowo-naczyniowym. Zanim
trzy róŻne sposoby zaobserwowa zachowanie wody we-
przystąpi" do tworzenia opisanego w tym artykule cyfrowe-
wnątrz próbek. Porównuje si, w jaki sposób woda oddzia- go atlasu biologii rozwoju cz"owieka, opracowa" podobny z za-
rodkami myszy. Tytu" doktora anatomii uzyska" w Duke Uni-
"uje z innymi cząsteczkami, poniewaŻ jest to cecha zmie-
versity, a tytu" magistra w dziedzinie grafiki stosowanej w
niająca si w zaleŻnoĘci od rodzaju tkanki. Techniki T1 i T2
medycynie w Johns Hopkins University. Jest takŻe w"aĘcicie-
to dwie metody wykrywania czasu relaksacji, czyli spo-
lem i kierownikem BioImage przedsibiorstwa zajmującego
sobu, w jaki protony w cząsteczkach wody powracają do si tworzeniem i wykorzystywaniem ilustracji na potrzeby
medycyny.
stanu pierwotnego po wzbudzeniu za pomocą fal o cz-
stotliwoĘci radiowej. Na obrazach uzyskanych za pomocą
techniki T1 widoczne są przede wszystkim g"ówne naczy- Literatura uzupe"niająca
nia krwionoĘne, komory serca i wątroba. Obrazy uzyska-
ATLAS OF HUMAN EMBRYOS. Raymond F. Gasser; Harper & Row,
ne metodą T2 pokazują tkanki nienaczyniowe, bez rozróŻ- 1975.
DEVELOPMENTAL STAGES IN HUMAN EMBRYOS: INCLUDING A REVISION
nienia jednak poszczególnych ich rodzajów. Technika
OF STREETER S HORIZONS AND A SURVEY OF THE CARNEGIE
pomiaru dyfuzji wykorzystuje fakt, Że w wielu tkankach wo-
COLLECTION. Ronan O Rahilly i Fabiola Mller; Carnegie In-
da przenika "atwiej w jednym kierunku niŻ w przeciwnym;
stitution of Washington, Washington, D.C., 1987.
przynosi to szczególnie duŻo informacji podczas badał Strona internetowa Multidimensional Human Embryo jest
dostpna pod adresem: embryo.mc.duke.edu
struktur nerwowych takich jak kora mózgowa (cienkie bia-
"e zarysy w prawej górnej czĘci prawego obrazu).
WIAT NAUKI Maj 1999 53
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Joe Vitale Podróże do wnętrza siebiePodróże do wnętrza siebie(1)Linux Kernel Podróż do wnętrza systemu cz 1PODROZ DO WNETRZA ZIEMI 3D (2008)ONEIRONAUTYKA – PODRÓŻ DO WNĘTRZA UMYSŁULinux Kernel podroz do wnetrza systemuPodroze Do Wnetrza Siebie Fragment Pdpodroze do wnetrza siebiePodróż do Wnętrza ZiemiPodróż do wnętrza ziemi 3D NAPISYPodróż do wnętrza Ziemi (2008)więcej podobnych podstron