Lecturas ópticas de cardiomiocitos HL-1 en respuesta al desacoplamiento químico por CCCP. Mapa de relación redox para control (izquierda), y cardiomiocitos expuestos a CCCP (derecha). Crédito:Irene Georgakoudi, Universidad de Tufts
Los cambios metabólicos en las células pueden ocurrir en las primeras etapas de la enfermedad. En la mayoría de los casos, el conocimiento de esas señales es limitado, ya que generalmente detectamos la enfermedad solo después de que ha causado un daño significativo. Ahora, un equipo dirigido por ingenieros de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Tufts ha abierto una ventana al interior de la célula mediante el desarrollo de una herramienta óptica que puede leer el metabolismo en una resolución subcelular, sin tener que perturbar las células con agentes de contraste, o destruirlos para realizar ensayos. Como se informó hoy en Avances de la ciencia , los investigadores pudieron utilizar el método para identificar firmas metabólicas específicas que podrían surgir en la diabetes, cáncer, enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas.
El método se basa en la fluorescencia de dos coenzimas importantes (biomoléculas que trabajan en conjunto con las enzimas) cuando se excitan con un rayo láser. Las coenzimas, el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH) y el dinucleótido de flavina y adenina (FAD), están involucradas en una gran cantidad de vías metabólicas en cada célula. Para conocer las vías metabólicas específicas afectadas por la enfermedad o el estrés, los científicos de Tufts observaron tres parámetros:la relación de FAD a NADH, el "desvanecimiento" de la fluorescencia de NADH, y la organización de las mitocondrias revelada por la distribución espacial de NADH dentro de una célula (las "baterías" productoras de energía de la célula).
El primer parámetro, las cantidades relativas de FAD a NADH, puede revelar qué tan bien consume oxígeno la célula, metabolizar azúcares, o producir o descomponer moléculas de grasa. El segundo parámetro, el "desvanecimiento" de la fluorescencia del NADH, revela detalles sobre el entorno local del NADH. El tercer parámetro, la distribución espacial de NADH en las células, muestra cómo las mitocondrias se dividen y fusionan en respuesta al crecimiento celular y al estrés.
Resumen gráfico de estudio. Crédito:I. Georgakoudi, Z. Liu, y D. Pouli
"Tomados en conjunto, estos tres parámetros comienzan a proporcionar más específicos, y firmas metabólicas únicas de salud o disfunción celular, "dijo Irene Georgakoudi, Doctor., autor correspondiente del estudio y profesor de ingeniería biomédica en la Escuela de Ingeniería de Tufts. "El poder de este método es la capacidad de obtener información sobre células vivas, sin el uso de agentes de contraste o etiquetas adjuntas que puedan interferir con los resultados ".
Existen otros métodos para el seguimiento no invasivo de las firmas metabólicas de la enfermedad, como la tomografía por emisión de positrones, que se utiliza a menudo en la investigación. Pero mientras que las exploraciones PET proporcionan información de baja resolución con una excelente penetración de profundidad en los tejidos vivos, el método óptico introducido por los investigadores de Tufts detecta la actividad metabólica en la resolución de células individuales, aunque sobre todo cerca de la superficie.
Eso no es necesariamente una limitación. Se pueden detectar muchas enfermedades en la superficie de los tejidos, incluido el cáncer, mientras que muchos estudios preclínicos se realizan con modelos animales y tejidos tridimensionales diseñados que pueden beneficiarse de un seguimiento no destructivo. El método desarrollado por Georgakoudi y sus colegas puede resultar una poderosa herramienta de investigación para comprender sus firmas metabólicas.