Los investigadores han desarrollado una técnica de imágenes a escala molecular rápida y práctica que podría permitir a los científicos ver dinámicas nunca antes vistas de procesos biológicos involucrados en enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer y la esclerosis múltiple.

La nueva técnica revela la composición química de una muestra, así como la orientación de las moléculas que la componen, información que se puede utilizar para comprender cómo se comportan las moléculas. Y lo que es más, adquiere esta información en cuestión de segundos, significativamente más rápido que los minutos requeridos por otras técnicas. La velocidad más rápida significa que será posible por primera vez observar la progresión de la enfermedad en modelos animales vivos a nivel molecular. Con un mayor desarrollo, la técnica también podría usarse para detectar signos tempranos de enfermedades neurodegenerativas en las personas.

En Optica , La revista de la Optical Society para la investigación de alto impacto, investigadores dirigidos por Sophie Brasselet del Institut Fresnel, CNRS, Universidad de Aix Marsella, Francia, informar su nueva técnica, La denominada polarización de alta velocidad resolvió imágenes de dispersión Raman coherentes. Utilizaron membranas lipídicas artificiales para demostrar las capacidades de la técnica para mejorar la investigación neurológica.

Las membranas artificiales utilizadas en el estudio están compuestas de capas empaquetadas de lípidos similares a las que se encuentran en la vaina de mielina que cubre los axones para ayudar a que los impulsos eléctricos se muevan de manera rápida y eficiente. Cuando progresan enfermedades como el Alzheimer y la esclerosis múltiple, estos lípidos comienzan a desorganizarse y las capas de lípidos pierden su adherencia. En última instancia, esto hace que la vaina de mielina se desprenda del axón y provoque un mal funcionamiento de las señales neuronales.

"Diseñamos una técnica capaz de obtener imágenes de la organización molecular en células y tejidos que, en última instancia, nos puede permitir ver la etapa inicial de este desprendimiento y cómo se organizan los lípidos dentro de esta vaina de mielina". ", dijo Brasselet." Esto podría ayudarnos a comprender la progresión de las enfermedades al identificar la etapa en la que los lípidos comienzan a desorganizarse, por ejemplo, y qué cambios moleculares están ocurriendo durante este tiempo. Esto podría permitir nuevos tratamientos farmacológicos dirigidos que funcionen de manera diferente a los que se usan ahora ".

Observando moléculas en tiempo real

La nueva técnica desarrollada por Brasselet y su equipo de investigación hace uso de un efecto no lineal llamado dispersión Raman coherente que se produce cuando la luz interactúa con las moléculas. La frecuencia, o longitud de onda, de la señal no lineal proporciona la composición química de una muestra en función de sus vibraciones moleculares, sin la necesidad de añadir etiquetas fluorescentes o productos químicos adicionales.

Los investigadores se basaron en un enfoque existente llamado imágenes de dispersión Raman estimuladas, que mejora la señal Raman modulando la intensidad de la luz láser, o poder. Para obtener información de orientación molecular a partir de la señal Raman coherente, los investigadores utilizaron un dispositivo electroóptico llamado celda de Pockels para modular rápidamente la polarización del láser en lugar de su intensidad.

"Tomamos el concepto de modulación de intensidad utilizado para la dispersión Raman estimulada y lo trasladamos a la modulación de polarización utilizando un dispositivo estándar, ", dijo Brasselet." La detección de señal para nuestra técnica es muy similar a lo que se hace con la dispersión Raman estimulada, excepto que en lugar de detectar solo la intensidad de la luz, detectamos información de polarización que nos dice si las moléculas están muy orientadas o totalmente desorganizadas ".

La clave, sin embargo, es adquirir información de orientación lo suficientemente rápido como para capturar procesos biológicos altamente dinámicos a nivel molecular. Los métodos anteriores eran lentos porque adquirían una imagen, luego la información de polarización, y luego repitió el proceso para capturar los cambios a lo largo del tiempo. Modulando la polarización del láser muy rápido, los investigadores pudieron tomar medidas píxel a píxel, en tiempo real.

Con el nuevo enfoque, se tarda menos de un segundo en adquirir información sobre la orientación de los lípidos en una imagen grande que contiene varias células. Esta información se utiliza luego para construir una secuencia de imágenes de "orden de lípidos" que muestra la dinámica de la orientación molecular en escalas de tiempo de subsegundos.

Medición de membranas individuales

Los investigadores demostraron que su técnica podría revelar la deformación y la organización de los lípidos en membranas lipídicas artificiales que se asemejan a las membranas empaquetadas de mielina. La técnica fue incluso lo suficientemente sensible como para medir la organización de los lípidos alrededor de los glóbulos rojos, que tienen una sola membrana lipídica.

"Aunque solo demostramos la técnica con membranas modelo y células individuales, esta técnica es traducible a tejido biológico, ", dijo Brasselet." Nos mostrará cómo se comportan las moléculas, información que no está disponible en las imágenes morfológicas a escala micrométrica tomadas con técnicas de microscopía tradicionales ".

Brasselet dijo que la nueva técnica podría usarse en un futuro cercano para comprender mejor la progresión en enfermedades que involucran una ruptura de la vaina de mielina. como el Alzheimer y la esclerosis múltiple. Por ejemplo, podría usarse para obtener imágenes de neuronas en ratones vivos combinando la técnica de dispersión Raman con métodos existentes en los que se implantan pequeñas ventanas en el cerebro y la médula espinal de los animales de laboratorio.

"Por último, nos gustaría desarrollar imágenes Raman coherentes para que puedan usarse en el cuerpo para detectar enfermedades en sus primeras etapas, "dijo Brasselet." Para hacer esto, la técnica tendría que adaptarse para funcionar con endoscopios u otras herramientas en desarrollo que permitan obtener imágenes basadas en la luz dentro del cuerpo ".