‘Ver’ células individuales con sonido

Si eres un investigador que quiere ver cómo se comportan algunas células de un organismo, esta no es una tarea sencilla. El cuerpo humano contiene aproximadamente 37 billones de células. Una mosca de la fruta que vuela alrededor de un plátano maduro en su mesa puede contener 50.000 células. Incluso Caenorhabditis elegans, un pequeño gusano comúnmente utilizado en la investigación biológica, puede contener hasta 3000 células. Entonces, ¿cómo observas algunos puntos microscópicos en medio de todo eso?

Los científicos que trabajan en el laboratorio del Instituto de Tecnología de California de Michael J. Shapiro, Catedrático de Ingeniería Química e Investigador del Instituto de Investigaciones del Patrimonio Médico, método.

La nueva tecnología utiliza los llamados genes de reportero de voz, de los cuales Shapiro fue un desarrollador principal. Para comprender los genes informadores de audio, primero debe saber que los genes informadores son un fragmento especializado de ADN que los investigadores pueden insertar en el genoma de un organismo para ayudarlos a comprender lo que está haciendo. Históricamente, los genes indicadores codificaban proteínas fluorescentes. Por ejemplo, si un investigador inserta uno de estos genes junto con el que quiere estudiar, digamos, el gen responsable del desarrollo de las neuronas, la activación de estos genes neuronales también producirá moléculas de proteína fluorescentes. Cuando el tipo correcto de luz brilla sobre esos células, se iluminará, algo así como la forma en que un resaltador puede identificar un pasaje en particular en un libro.

Sin embargo, los genes indicadores fluorescentes tienen un inconveniente importante: la luz no penetra mucho a través del tejido vivo.

Entonces, Shapiro desarrolló los genes reporteros que usan sonido en lugar de luz. Estos genes, cuando se insertan en el genoma de la célula, hacen que produzca estructuras proteicas huecas conocidas como vesículas de gas. Estas vesículas se encuentran típicamente en ciertos tipos de bacterias que las usan para mantenerse a flote en el agua, pero también tienen la útil propiedad de «sonar» cuando son golpeadas. Ultrasonido.

La idea es que cuando la célula que produce estas vesículas se muestre con ultrasonido, envíe una señal de audio que anuncie su presencia, lo que permitirá a los investigadores saber dónde está y qué hacer. Esta técnica se utilizó para mostrar la actividad de las enzimas en las células en un trabajo anterior del laboratorio de Shapiro.

En su último artículo, el equipo de investigación describe cómo la sensibilidad de la tecnología ha aumentado hasta el punto de que ahora puede obtener imágenes de una sola célula, ubicada dentro de los tejidos del cuerpo, que lleva un gen reportero de audio.

«En comparación con trabajos anteriores sobre vesículas de gas, este artículo nos permite ver cantidades mucho más pequeñas de estas vesículas de gas», dice Daniel Sawyer (PhD 21), autor principal y ex estudiante de doctorado en bioingeniería en el laboratorio de Shapiro. «Es como pasar de un satélite que puede ver las luces de una pequeña ciudad a otro que puede ver la luz de una sola farola».

Sus mejoras representan un aumento de más de 1000 veces en la sensibilidad con respecto a la técnica anterior que estaban usando para obtener imágenes de células que portan genes informadores de audio. La diferencia radica en el ultrasonido que utilizan y en cómo responden las vesículas de gas.

Mientras que la tecnología de imágenes anterior se basaba en hacer sonar las vesículas como si se golpeara una campana, la nueva técnica utiliza ondas de ultrasonido más potentes que «hacen estallar» las vesículas como un globo.

«Las vesículas están produciendo una señal muy fuerte en ese momento», dice Shapiro. «Entonces las vesículas se rompen y dejan de señalar. Estamos buscando el pequeño destello».

Este destello es tan obvio que los investigadores pueden detectarlo fácilmente, incluso en medio de todo el ruido de fondo producido por las ondas de ultrasonido que penetran en el tejido. Shapiro dice que el trabajo reciente en cepas de bacterias inyectables diseñadas que atacan las células cancerosas, o bacterias «guías de tumores», crea la necesidad de mejores formas de rastrear estas células para ver dónde se encuentran en el cuerpo. Los investigadores demostraron que cuando las bacterias también fueron diseñadas para transportar el gen de la vesícula gaseosa, era posible rastrear células bacterianas individuales a medida que ingresaban y viajaban a través del hígado después de ser inyectadas en el torrente sanguíneo.

Este nivel de sensibilidad es necesario si los investigadores van a utilizar el ultrasonido para estudiar la composición del microbioma intestinal, que, cuando se interrumpe, puede afectar afecciones como la enfermedad de Alzheimer y el autismo, dice Sawyer.

«Hay muchos tipos de bacterias en su intestino, y algunas son tan raras que necesita algo lo suficientemente sensible como para ver sólo unas pocas en la profundidad del cuerpo», dice.

¿Hacer estallar las vesículas intracelulares daña las células? No en realidad no.

«La respuesta corta es no, y la respuesta larga es no en la mayoría de los casos prácticos», dice Sawyer. “Hay algunos casos en los que las células bacterianas individuales son muy pequeñas y contienen una gran cantidad de estas células. Vesículas de gas Se dañan, pero no importa mucho para las bacterias si algunas de ellas se vuelven menos viables. Y en células de mamíferos, no observamos ningún efecto negativo ”.

Shapiro y Sawyer están en dos caminos para que su investigación avance. Un camino se basará en lo que los investigadores ya han desarrollado para crear técnicas de imagen más avanzadas. Esto implicará diseñar y probar nuevos tipos de vesículas que tienen diferentes propiedades, como vesículas que revientan más fácilmente, vesículas que son más robustas o vesículas más pequeñas que pueden caber donde las vesículas más grandes no pueden. Otro camino, dice Sawyer, es encontrar aplicaciones prácticas para la tecnología que han desarrollado.

“En el campo de la microscopía óptica, ha habido este co-desarrollo de sondas ópticas y métodos de microscopía con técnicas como la microscopía de dos fotones y la microscopía óptica de láminas. [both are types of fluorescent microscopy]Dice Shapiro. El artículo de Danny es parte de un desarrollo análogo de ultrasonido para estas técnicas de imagen. «

Los detalles del proceso se han publicado en Caminos de la naturaleza.