Un sensor de resonancia magnética especializado puede detectar luz en lo profundo del tejido

Usando un sensor de resonancia magnética especializado, los investigadores del MIT han demostrado que pueden detectar la luz en las profundidades de los tejidos, como el cerebro.

La obtención de imágenes de la luz en los tejidos profundos es un gran desafío porque, a medida que la luz viaja hacia los tejidos, gran parte de ella se absorbe o se dispersa. El equipo del MIT superó este obstáculo al diseñar un sensor que convierte la luz en una señal magnética que puede detectarse mediante imágenes de resonancia magnética (IRM).

Este tipo de sensor podría usarse para mapear la luz emitida por fibras ópticas implantadas en el cerebro, como las fibras que se usan para estimular las neuronas durante los experimentos de optogenética. Con un mayor desarrollo, dicen los investigadores, también podría ser útil para monitorear a los pacientes que reciben terapias basadas en la luz para el cáncer.

Podemos visualizar la distribución de la luz en los tejidos, y esto es importante porque las personas que usan la luz para estimular el tejido o para medir el tejido a menudo no saben exactamente hacia dónde se dirige la luz, dónde están siendo estimulados o dónde la luz. viene de Nuestra herramienta se puede utilizar para abordar estas incógnitas”.

Alan Jasanoff, profesor de Ingeniería Biológica, Cerebro y Ciencias Cognitivas, y Ciencia e Ingeniería Nuclear en el MIT

Jasanoff, también investigador asociado del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT, es el autor principal del estudio, que aparece hoy en La naturaleza de la ingeniería biomédica.. Jacob Simon, PhD, 21, y el postdoctorado del MIT Miriam Schwalm son los autores principales del artículo, y Johannes Morstein y Dirk Trauner de la Universidad de Nueva York también son autores del artículo.

sonda fotosensible

Los científicos han estado utilizando la luz para estudiar las células vivas durante cientos de años, desde finales del siglo XVI, cuando se inventó el microscopio óptico. Este tipo de microscopía permite a los investigadores mirar dentro de las células y cortes finos de tejido, pero no profundamente dentro de un organismo.

«Uno de los problemas persistentes con el uso de la luz, especialmente en las ciencias de la vida, es que no penetra muy bien en muchos materiales», dice Jasanoff. «Los materiales biológicos absorben la luz y la dispersan, y la combinación de estas cosas nos impide usar la mayoría de los tipos de imágenes ópticas para cualquier cosa que implique enfocarse en tejido profundo».

Para sortear esta limitación, Jasanoff y sus alumnos decidieron diseñar un sensor que pudiera convertir la luz en una señal magnética.

«Queríamos crear un sensor magnético que responda a la luz localmente y, por lo tanto, no esté sujeto a absorción o dispersión. Luego, este detector de luz se puede visualizar mediante resonancia magnética», dice.

El laboratorio de Jasanoff desarrolló previamente sensores de resonancia magnética que pueden interactuar con una variedad de moléculas en el cerebro, incluidas la dopamina y el calcio. Cuando estos sensores se unen a sus objetivos, afectan las interacciones magnéticas del sensor con el tejido circundante, lo que hace que la señal de resonancia magnética se oscurezca o se aclare.

Para hacer una sonda de resonancia magnética sensible a la luz, los investigadores decidieron encapsular las partículas magnéticas en una nanopartícula llamada liposoma. Los liposomas utilizados en este estudio consistieron en lípidos fotosensibles especializados desarrollados previamente por Trauner. Cuando estos lípidos se exponen a una cierta longitud de onda de luz, los liposomas se vuelven más permeables al agua o «permeables». Esto permite que las partículas magnéticas del interior interactúen con el agua y generen una señal que puede ser detectada por una resonancia magnética.

Las partículas, que los investigadores han denominado reporteros de nanopartículas lipídicas (LisNR), pueden cambiar de permeables a impermeables según el tipo de luz a la que estén expuestas. En este estudio, los investigadores crearon moléculas que se filtran cuando se exponen a la luz ultravioleta y luego se vuelven opacas nuevamente cuando se exponen a la luz azul. Los investigadores también demostraron que las partículas pueden responder a otras longitudes de onda de luz.

«Este artículo muestra un sensor novedoso que permite la detección de fotones mediante resonancia magnética transcerebral. Este trabajo esclarecedor presenta una nueva vía para conectar los estudios de neuroimagen impulsados ​​por fotones y protones», dice Shen Yu, profesor asociado de radiología en la Escuela de Medicina de Harvard, que no fue involucrados en el estudio.

Luz de mapas

Los investigadores probaron los sensores en cerebros de ratones; Específicamente, en una parte del cerebro llamada cuerpo estriado, que está involucrada en la planificación del movimiento y la respuesta a la recompensa. Después de inyectar las partículas a lo largo del contorno, los investigadores pudieron mapear la distribución de la luz de una fibra óptica colocada cerca.

Las fibras que usaron son similares a las que se usan en la estimulación optogenética, dice Jasanoff, por lo que este tipo de detección podría ser útil para los investigadores que realizan experimentos optogenéticos en el cerebro.

«No esperamos que todos los que trabajan en optogenética usen esto en cada experimento; es más bien algo que harás de vez en cuando, para ver si el modelo que estás usando realmente produce el perfil de luz que crees que es». dice Jasanoff.

En el futuro, este tipo de sensor también podría ser útil para monitorear pacientes que reciben tratamientos que involucran luz, como la fototerapia que usa láser o luz LED para matar las células cancerosas.

Los investigadores ahora están trabajando en sensores similares que podrían usarse para detectar la luz emitida por las luciferasas, una familia de proteínas brillantes que se usan a menudo en experimentos biológicos. Estas proteínas se pueden usar para detectar si un gen específico está activo, pero actualmente solo se pueden visualizar en tejidos superficiales o células que crecen en una placa de laboratorio.

Jasanoff también espera usar la estrategia utilizada en el sensor LisNR para diseñar sensores de resonancia magnética que puedan detectar estímulos distintos a la luz, como neuroquímicos u otras moléculas en el cerebro.

«Creemos que el principio que usamos para construir estos sensores es muy amplio y también se puede usar para otros fines», dice.

La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación G. Harold y la Comisión Europea Leyla Y.