Los investigadores del MIT han desarrollado una forma de hacer imágenes de muestras de tejido de muy alta resolución, a una fracción del costo de otras técnicas que ofrecen una resolución similar.

La nueva técnica se basa en expandir el tejido antes de obtener imágenes con un microscopio óptico convencional. Hace dos años, el equipo del MIT demostró que era posible expandir 100 veces los volúmenes de tejido, resultando en una resolución de imagen de aproximadamente 60 nanómetros. Ahora, Los investigadores han demostrado que expandir el tejido por segunda vez antes de la obtención de imágenes puede aumentar la resolución a unos 25 nanómetros.

Este nivel de resolución permite a los científicos ver, por ejemplo, las proteínas que se agrupan en patrones complejos en las sinapsis cerebrales, ayudando a las neuronas a comunicarse entre sí. También podría ayudar a los investigadores a mapear circuitos neuronales, dice Ed Boyden, profesor asociado de ingeniería biológica y ciencias cognitivas y cerebrales en el MIT.

"Queremos poder rastrear el cableado de circuitos cerebrales completos, "dice Boyden, el autor principal del estudio. "Si pudieras reconstruir un circuito cerebral completo, tal vez podrías hacer un modelo computacional de cómo genera fenómenos complejos como decisiones y emociones. Dado que puede trazar un mapa de las biomoléculas que generan pulsos eléctricos dentro de las células y que intercambian sustancias químicas entre las células, potencialmente podría modelar la dinámica del cerebro ".

Este enfoque también podría usarse para obtener imágenes de otros fenómenos, como las interacciones entre las células cancerosas y las células inmunes, para detectar patógenos sin equipos costosos, y mapear los tipos de células del cuerpo.

El ex postdoctorado del MIT Jae-Byum Chang es el primer autor del artículo, que aparece en la edición del 17 de abril de Métodos de la naturaleza .

Doble expansión

Para expandir muestras de tejido, los investigadores los integran en un denso, gel generado uniformemente hecho de poliacrilato, un material muy absorbente que también se utiliza en pañales. Antes de que se forme el gel, los investigadores etiquetan las proteínas celulares que quieren fotografiar, utilizando anticuerpos que se unen a objetivos específicos. Estos anticuerpos llevan "códigos de barras" hechos de ADN, que a su vez están unidas a moléculas de reticulación que se unen a los polímeros que componen el gel expandible. Luego, los investigadores descomponen las proteínas que normalmente mantienen unido el tejido, permitiendo que los códigos de barras de ADN se expandan entre sí a medida que el gel se hincha.

Estas muestras ampliadas se pueden etiquetar con sondas fluorescentes que se unen a los códigos de barras de ADN, y fotografiado con microscopios confocales disponibles comercialmente, cuya resolución suele limitarse a cientos de nanómetros.

Usando ese enfoque, los investigadores pudieron alcanzar previamente una resolución de unos 60 nanómetros. Sin embargo, "las biomoléculas individuales son mucho más pequeñas que eso, digamos 5 nanómetros o incluso más pequeños, "Dice Boyden." Las versiones originales de la microscopía de expansión fueron útiles para muchas preguntas científicas, pero no pudieron igualar el rendimiento de los métodos de obtención de imágenes de más alta resolución, como la microscopía electrónica ".

En su estudio de microscopía de expansión original, Los investigadores encontraron que podían expandir el tejido en más de 100 veces su volumen al reducir el número de moléculas de reticulación que mantienen al polímero en un patrón ordenado. Sin embargo, esto hizo que el tejido fuera inestable.

"Si reduce la densidad del reticulante, los polímeros ya no conservan su organización durante el proceso de expansión, "dice Boyden, quien es miembro del Media Lab del MIT y del McGovern Institute for Brain Research. "Pierdes la información".

En lugar de, en su último estudio, los investigadores modificaron su técnica para que después de la primera expansión tisular, pueden crear un nuevo gel que hincha el tejido por segunda vez, un enfoque que llaman "expansión iterativa".

Mapeo de circuitos

Usando expansión iterativa, los investigadores pudieron obtener imágenes de tejidos con una resolución de aproximadamente 25 nanómetros, que es similar a la lograda por técnicas de alta resolución como la microscopía de reconstrucción óptica estocástica (STORM). Sin embargo, La microscopía de expansión es mucho más barata y sencilla de realizar porque no se requieren equipos ni productos químicos especializados. Dice Boyden. El método también es mucho más rápido y, por lo tanto, compatible con Imágenes 3-D.

La resolución de la microscopía de expansión aún no coincide con la de la microscopía electrónica de barrido (aproximadamente 5 nanómetros) o la microscopía electrónica de transmisión (aproximadamente 1 nanómetro). Sin embargo, Los microscopios electrónicos son muy caros y no están ampliamente disponibles. y con esos microscopios, Es difícil para los investigadores etiquetar proteínas específicas.

En el Métodos de la naturaleza papel, el equipo del MIT utilizó la expansión iterativa para crear imágenes de las sinapsis, las conexiones entre las neuronas que les permiten comunicarse entre sí. En su estudio de microscopía de expansión original, los investigadores pudieron obtener imágenes de proteínas de andamiaje, que ayudan a organizar los cientos de otras proteínas que se encuentran en las sinapsis. Con lo nuevo resolución mejorada, los investigadores también pudieron ver estructuras a escala más fina, como la ubicación de los receptores de neurotransmisores ubicados en las superficies de las células "postsinápticas" en el lado receptor de la sinapsis.

"Mi esperanza es que podamos, en los próximos años, realmente empezar a trazar un mapa de la organización de estas proteínas de señalización y andamiaje en la sinapsis, "Dice Boyden.

La combinación de la microscopía de expansión con una nueva herramienta llamada multiplexación temporal debería ayudar a lograrlo, él cree. En la actualidad, sólo se puede utilizar un número limitado de sondas coloreadas para obtener imágenes de diferentes moléculas en una muestra de tejido. Con multiplexación temporal, los investigadores pueden marcar una molécula con una sonda fluorescente, tomar una imagen, y luego lave la sonda. Esto luego se puede repetir muchas veces, cada vez usando los mismos colores para etiquetar diferentes moléculas.

"Al combinar la expansión iterativa con la multiplexación temporal, en principio podríamos tener esencialmente colores infinitos, Imágenes de resolución a nanoescala en grandes volúmenes 3D, ", Dice Boyden." Las cosas se están poniendo realmente emocionantes ahora que estas diferentes tecnologías pronto se conectarán entre sí ".

Los investigadores también esperan lograr una tercera ronda de expansión, que ellos creen que podría, en principio, permiten una resolución de unos 5 nanómetros. Sin embargo, en este momento, la resolución está limitada por el tamaño de los anticuerpos utilizados para marcar moléculas en la célula. Estos anticuerpos miden entre 10 y 20 nanómetros de largo, así que para obtener una resolución por debajo de eso, los investigadores necesitarían crear etiquetas más pequeñas o expandir las proteínas entre sí primero y luego administrar los anticuerpos después de la expansión.