NAUKA W OBRAZACH
ab c d e
Wczesny p"ód (64 dni)
PodróŻ do wn�trza
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.
C
Są to obrazy wn�trz 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. Dzi�ki tym obrazom próbuj� takŻe animowa� rozwój
zarodkowy, co do tej pory nie by"o moŻliwe.
Tak szczegó"owe informacje są coraz cz�Ęciej 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 dzi�ki obserwacjom takich modeli zwie-
rz�cych 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 P�ÓD 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 cz�Ęci zarodka pó"przezroczystymi, pozostawiając reszt� nieprzejrzystą.
Dzi�ki temu badacze mogą zobaczy� jego wewn�trzne struktury na róŻnych g"�boko-
Ęciach i w naturalnym po"oŻeniu, nie uszkadzając przy tym próbki (a c), a takŻe p"yn-
nie powi�ksza�, 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 wi�cej 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 kr�gów
(struktura przypominająca ga"ki liczyd"a
na prawym skrawku) i organów wewn�trz-
nych. Technika MRM pozwala badaczom
zobaczy� wiele róŻnych planów przekro-
ju danego okazu. Zapewnia bogactwo
informacji o wn�trzu zarodka bez jego
zniszczenia.
CEWKó NERWOWŃ 47-dniowego zarodka ludzkiego (poniŻej z lewej w worku owodnio-
wym; zdj�cie spod mikroskopu optycznego) moŻna analizowa� za pomocą techniki MRM.
Manipulując obrazami cyfrowymi, badacze odbywają  spacer przez cewk� nerwową,
z której powstanie mózg i rdzeł
kr�gowy. Podczas takiego spaceru zarodek jest obraca-
ny (a c), dzi�ki czemu obserwator  wchodzi w cewk� nerwową (d) i wirtualnie podróŻu-
je przez p�cherzyki mózgowe, które staną si� póęniej komorami mózgu. Program prowa-
dzi nas kolejno przez dach czwartej komory do ty"omózgowia, a nast�pnie 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 cz�sto-
ogólnie dost�pnej 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- wi�cej szczegó"ów, niŻ jest to konieczne czy
stitute of Pathology w Waszyngtonie, to zbiór uŻyteczne w diagnostyce medycznej. ChociaŻ
zakonserwowanych ludzkich zarodków od dzi�ki 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 obj�toĘci) 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, najwi�kszy zaĘ jest sując silniejsze magnesy, wi�ksze gradienty
wielkoĘci migda"a  jego d"ugoĘ� wynosi mniej do zak"ócania pola magnetycznego oraz mniej-
wi�cej 30 mm. Podstaw� Carnegie Collection sze cewki diagnostyczne, pozwalające otrzy-
stanowią zarodki i p"ody uzyskane w wyni- ma� obraz tych maleł
kich 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 ci�Żarnych kobiet. pem, naukowcy musieli cią� próbki na setki
Autorzy tej kolekcji podzielili rozwój zarod- cieniutkich skrawków histologicznych. Dzi�ki
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 koł
czyn. 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� cz�Ęcią szcz�k 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 udost�pnione 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 dzi�ki 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 maleł
ki 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 nast�pnie 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� pomarał
czowoŻó"tą barwą. Bursztynowe
owale to zwoje nerwowe  miejsca, w których nerwy wychodzą z rdze-
nia kr�gowego. 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 chrz�st-
nych pod ramieniem i nieznaczną redukcj� b"ony mi�dzy palcami.
52 �WIAT NAUKI Maj 1999
wyizolowa� optycznie poszczególne organy lub uk"ady do
sywnoĘ� wysy"anego sygna"u. Nast�pnie 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� wi�cej informa-
i w rezultacie powstaje cji o zarodkach. Wraz z moimi wspó"pracownikami przewi-
obraz na monitorze kom- dujemy, Że taki zbiór danych b�dzie niezwykle uŻyteczny do
putera. Dzi�ki 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 b�dą potrzebne.
wierzchni� okazu prze- Tworząc te niezwyk"e obrazy, zostawimy potomnoĘci jedyną
zroczystą, uwidaczniamy w swoim rodzaju kolekcj� ludzkich zarodków.
jego struktury wewn�trz-
T"umaczy"a
ne. Dodatkowo moŻemy Joanna Grabarek
17 stadium Carnegie (41 dni)
T1 T2 Dyfuzja
ZARODEK 41-DNIOWY  u góry na zdj�ciu spod mikro-
skopu optycznego uchwycony wraz z p�cherzykiem Żó"t-
kowym  ma dobrze zróŻnicowane tkanki, które moŻna
Informacje o autorze
ogląda� szczegó"owo na obrazach uzyskanych dzi�ki 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  przedsi�biorstwa 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 M�ller; 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
dost�pna pod adresem: embryo.mc.duke.edu
struktur nerwowych takich jak kora mózgowa (cienkie bia-
"e zarysy w prawej górnej cz�Ęci prawego obrazu).
�WIAT NAUKI Maj 1999 53