Среди современных проблем физиологии головного мозга особое внимание уделяется транспортным процессам во внеклеточном пространстве, имеющим решающее значение для понимания нейроглиального метаболизма, для решения вопроса доставки лекарств, а также предотвращения нейродегенеративных заболеваний [1].

Одним из нерешенных вопросов остается механизм переноса растворенных веществ через паренхиму. Споры ведутся относительно существования либо направленных потоков, либо диффузионного переноса. Сложность прямой регистрации таких процессов in vivo формирует потребность в разработке фантомов со свойствами, имитирующими паренхиму мозга, как физических моделей для тестирования реализуемости различных подходов к описанию транспорта веществ.

Данная работа посвящена определению и количественной характеристике процессов переноса в новой фантомной ткани [2] на основе коллагенового гидрогеля, имитирующего структуру и консистенцию паренхимы мозга. На основе электронной сканирующей микроскопии и компьютерной томографии выявлено существование сетевидных и микропористых структур, соответствующих характеристикам внеклеточного пространства головного мозга. Учитывая эти данные, можно ожидать, что перенос молекулярных маркеров или наночастиц в синтезированном гидрогеле будет происходить по той же схеме диффузии, что и в неоднородной среде с ловушками и барьерами.

Использованы два подхода: 1) пространственно-временная фиксация двумерной проекции распространения низкомолекулярных флуоресцентных маркеров, 2) трехмерную картину распространения контрастного агента, используемого при клинической компьютерной томографии. Результатом первого стало определение эффективный макроскопический коэффициент диффузии, имеющий биологически-релевантную величину. В ходе второго метода выявлен сложный процесс, комбинирующий быстрое распространение воды в данной структуре после инъекции, за которой следует медленный процесс диффузионного типа, находящийся под влиянием микроструктуры среды. Обсуждается соответствие полученных закономерностей биофизическим моделям данных процессов.



[1] Tønnesen, J.; Hrabĕtová, S.; Soria, F.N. Local diffusion in the extracellular space of the brain. Neurobiology of Disease. 2023, 177, 105981.

[2] Vanina, A.S.; Sychev, A.V.; Lavrova, A.I.; Gavrilov, P.V.; Andropova, P.L.; Grekhnyova, E.V.; Kudryavtseva, T.N.; Postnikov, E.B. A hydrogel-based phantom of the brain tissue aimed at modelling complex metabolic transport processes. Eur. Phys. J. Spec. Top., 2022. https://doi.org/10.1140/epjs/s11734-022-00733-0

Among modern problems of brain physiology, special attention is paid to transport processes in its extracellular space, which are crucial for understanding neuroglial metabolism, addressing drug delivery, and preventing neurodegenerative diseases [1].

One of the still unresolved questions is the mechanism of solute transport through the parenchyma. There are debates about the existence of either directional fluxes or diffusive transport. Since direct recording such processes in vivo is difficult, there is demand for developing phantoms with properties mimicking the brain parenchyma as physical models for testing the feasibility of different approaches to describing the transport of substances.

This work deals with accessing and quantification of transfer processes in a new phantom tissue [2] based on collagen hydrogel imitating the structure and consistency of the brain parenchyma. Electron scanning microscopy and computed tomography revealed the existence of network-like and microporous structures corresponding to the characteristics of the brain’s extracellular space. Taking these data into account, the transport of molecular markers or nanoparticles in the synthesized hydrogel can be expected as following the same diffusion pattern as in an inhomogeneous environment with traps and barriers.

Two approaches were used: 1) a spatiotemporal fixation of the two-dimensional projection of low-molecular fluorescent markers’ spread, and 2) the three-dimensional spread’s picture of the contrast agent used in clinical computed tomography. The first resulted in the determination of an effective macroscopic diffusion coefficient, which is shown as biologically relevant. The second revealed a complex process combining the rapid water spread in this structure after injection, followed by a slow diffusion process influenced by the microstructure of the medium. The correspondence of the obtained regularities to the biophysical models of these processes is discussed.

[1] Tønnesen, J.; Hrabĕtová, S.; Soria, F.N. Local diffusion in the extracellular space of the brain. Neurobiology of Disease. 2023, 177, 105981.

[2] Vanina, A.S.; Sychev, A.V.; Lavrova, A.I.; Gavrilov, P.V.; Andropova, P.L.; Grekhnyova, E.V.; Kudryavtseva, T.N.; Postnikov, E.B. A hydrogel-based phantom of the brain tissue aimed at modelling complex metabolic transport processes. Eur. Phys. J. Spec. Top., 2022. https://doi.org/10.1140/epjs/s11734-022-00733-0