Las herramientas de imágenes como los rayos X y la resonancia magnética han revolucionado la medicina al brindarles a los médicos una vista de cerca del cerebro y otros órganos vitales de la vida. gente respirando. Ahora, Los investigadores de la Universidad de Columbia informan sobre una nueva forma de hacer zoom en las escalas más pequeñas para rastrear los cambios dentro de las células individuales.

Descrito en el último número de Comunicaciones de la naturaleza , la herramienta combina un trazador químico ampliamente utilizado, D2O, o agua pesada, con un método de imágenes láser relativamente nuevo llamado dispersión Raman estimulada (SRS). Las posibles aplicaciones de la técnica incluyen ayudar a los cirujanos a eliminar tumores de forma rápida y precisa, para ayudar a detectar lesiones en la cabeza y trastornos metabólicos y del desarrollo.

"Podemos utilizar esta tecnología para visualizar las actividades metabólicas en una amplia gama de animales, "dijo el autor principal del estudio, Wei Min, profesor de química en la Universidad de Columbia. "Al rastrear dónde y cuándo las nuevas proteínas, se forman lípidos y moléculas de ADN, podemos aprender más sobre cómo se desarrollan y envejecen los animales, y qué sale mal en el caso de lesiones y enfermedades ".

El avance implica el uso de agua pesada como trazador químico. Hecho al intercambiar los átomos de hidrógeno del agua con su pariente más pesado, deuterio, el agua pesada se ve y sabe a agua normal y en pequeñas dosis (no más de cinco cucharadas para los humanos) es segura para beber. Una vez metabolizado por las células del cuerpo, el agua pesada se incorpora a las proteínas recién elaboradas, lípidos y ADN, donde el deuterio forma enlaces químicos con el carbono.

Cuando estos enlaces carbono-deuterio se ven afectados por la luz, vibran a distintas frecuencias, los investigadores descubrieron, permitiendo que cada macromolécula se identifique como una proteína, lípido o ADN. A partir de estas firmas de frecuencia, podrían rastrear el crecimiento de nuevas proteínas, lípidos y ADN en el cerebro del animal, piel, intestino y otros órganos.

Aunque ya se usa agua pesada para etiquetar proteínas y lípidos para rastrear cambios metabólicos, El análisis se realiza actualmente en un espectrómetro de masas, en células extraídas del cuerpo. Este método ahora permite visualizar cambios subcelulares en tiempo y espacio real. "Obtenemos una imagen continua de lo que sucede dentro de las células animales vivas. Anteriormente, solo teníamos una instantánea, "dijo el coautor principal del estudio, Lingyan Shi, investigador postdoctoral en Columbia.

En el estudio, los investigadores diluyeron agua regular con D2O y se la dieron a las lombrices intestinales, embriones de ratones y peces cebra para beber. Apuntando el láser SRS a una variedad de tejidos, observaron durante horas y días cómo nuevas proteínas marcadas con deuterio, los lípidos y el ADN se acumulan.

En un experimento, Observaron cómo surgía una línea brillante alrededor de los tumores cerebrales y de colon de rápido crecimiento en los ratones. A medida que las células cancerosas se dividieron, se incorporó más deuterio a sus proteínas y lípidos recién fabricados. "Este método crea una línea nítida entre el tejido sano y el canceroso, facilitando mucho la extirpación del tumor, "dijo Shi.

Los experimentos también ofrecieron nuevos conocimientos sobre el desarrollo y el envejecimiento celular.

* En la lombriz intestinal, observaron cómo la producción de grasa aumentaba y disminuía en el sistema reproductivo del gusano a medida que envejecía. La grasa ayuda a madurar los huevos del gusano. y una vez que esta grasa añadida dejó de ser útil, la formación de grasa se ralentizó, ellos encontraron. También vieron grupos de nuevas proteínas en el cuerpo del gusano más viejo, sugiriendo que las imágenes SRS marcadas con deuterio podrían usarse para rastrear depósitos de proteínas, y por lo tanto, enfermedad relacionada con el envejecimiento.

* En los cerebros en desarrollo de los ratones bebés, observaron la formación de una capa de grasa aislante, llamada vaina de mielina, alrededor de cada celda. Observar el proceso en tiempo real sugirió a los investigadores que las imágenes SRS marcadas con deuterio podrían usarse para saber si el cerebro de un niño se está desarrollando correctamente. o si los pacientes que padecen esclerosis múltiple, una enfermedad que ataca la mielina del cerebro e interrumpe el flujo de información, podría estar recuperándose.

* En las células de las glándulas sudoríparas de los ratones, observaron cómo se formaban nuevos lípidos en las células de los bordes exteriores de las glándulas sudoríparas, empujando las células más viejas hacia adentro. Cuando esas viejas células finalmente alcanzaron el centro de las glándulas, murieron y fueron expulsados ​​en un proceso que se cree hidrata la piel y el cabello de arriba.

"La belleza de este método de creación de mapas es su simplicidad, "dice Eric Potma, profesor de química de la Universidad de California en Irvine que no participó en el estudio. "Produce imágenes vívidas de la actividad metabólica en los tejidos con un esfuerzo aparentemente mínimo. A medida que el microscopio SRS continúa haciéndose más pequeño, Las imágenes SRS marcadas con deuterio pueden ayudar a detectar tumores en etapas mucho más tempranas ".

Actuando sobre la corazonada de que el elemento hidrógeno vino en una forma más pesada, Harold Urey, luego profesor de química en Columbia, logró separar el deuterio del hidrógeno líquido en 1931. El descubrimiento le valió un premio Nobel de química tres años después. Además de servir como trazador en espectroscopia de masas, el deuterio hoy en día se usa para rastrear cambios en la circulación oceánica, estudiar la formación de estrellas, y modular las reacciones químicas en la generación de energía nuclear.