Investigadores de la Universidad de Columbia han dado un paso significativo hacia la ruptura de la llamada "barrera del color" de la microscopía óptica para sistemas biológicos. permitiendo mucho más completo, etiquetado y formación de imágenes en todo el sistema de un mayor número de biomoléculas en células y tejidos vivos de lo que se puede conseguir actualmente. El avance tiene el potencial para muchas aplicaciones futuras, incluida la ayuda a guiar el desarrollo de terapias para tratar y curar enfermedades.

En un estudio publicado en línea el 19 de abril en Naturaleza , el equipo, dirigido por el profesor asociado de química Wei Min, informa sobre el desarrollo de una nueva plataforma de microscopía óptica con una sensibilidad de detección drásticamente mejorada. Adicionalmente, el estudio detalla la creación de nuevas moléculas que, cuando se combina con la nueva instrumentación, permitir el etiquetado y la formación de imágenes simultáneos de hasta 24 biomoléculas específicas, casi cinco veces el número de biomoléculas de las que se pueden obtener imágenes al mismo tiempo con las tecnologías existentes.

"En la era de la biología de sistemas, cómo obtener imágenes simultáneamente de una gran cantidad de especies moleculares dentro de las células con alta sensibilidad y especificidad sigue siendo un gran desafío de la microscopía óptica, "Dijo Min." Lo que hace que nuestro trabajo sea nuevo y único es que hay dos piezas sinérgicas, la instrumentación y las moléculas, que trabajan juntas para combatir este obstáculo de larga data. Nuestra plataforma tiene la capacidad de transformar la comprensión de sistemas biológicos complejos:el vasto mapa de células humanas, vías metabólicas, las funciones de varias estructuras dentro del cerebro, el entorno interno de los tumores, y ensamblaje de macromoléculas, por nombrar unos cuantos."

Todos los métodos existentes para observar una variedad de estructuras en células y tejidos vivos tienen sus propias fortalezas, pero todos también se ven obstaculizados por limitaciones fundamentales, no es el menor de los cuales es la existencia de una "barrera de color".

Microscopio fluorescente, por ejemplo, es extremadamente sensible y, como tal, es la técnica más utilizada en los laboratorios de biología. El microscopio permite a los científicos monitorear los procesos celulares en los sistemas vivos mediante el uso de proteínas a las que se hace referencia en términos generales como "proteínas fluorescentes" que suelen tener hasta cinco colores. Cada una de las proteínas fluorescentes tiene una estructura objetivo a la que aplica una "etiqueta, "o color a. Las cinco proteínas fluorescentes, o colores, que normalmente se utilizan para etiquetar estas estructuras son BFP (proteína azul fluorescente), ECFP (proteína fluorescente cian), GFP (proteína verde fluorescente), mVenus (proteína amarilla fluorescente), y DsRed (proteína roja fluorescente).

A pesar de sus puntos fuertes, La microscopía de fluorescencia se ve obstaculizada por la "barrera de color, "lo que limita a los investigadores a ver un máximo de solo cinco estructuras a la vez porque las proteínas fluorescentes utilizadas emiten una gama de tonos indistinguibles que, como resultado, se dividen en cinco amplias categorías de colores.

Si un investigador está tratando de observar todos los cientos de estructuras y diferentes tipos de células en una muestra de tejido de tumor cerebral vivo, por ejemplo, estaría restringida a ver solo hasta cinco estructuras a la vez en una sola muestra de tejido. Si quisiera ver más de esos cinco, tendría que limpiar el tejido de las etiquetas fluorescentes que usó para identificar y etiquetar las últimas cinco estructuras para poder usar esas mismas etiquetas fluorescentes para identificar otro conjunto de hasta cinco estructuras. Tendría que repetir este proceso para cada conjunto de hasta cinco estructuras que quiera ver. Observar un máximo de cinco estructuras a la vez no solo requiere mucha mano de obra, pero en la limpieza del pañuelo, componentes vitales de ese tejido podrían perderse o dañarse.

"Queremos verlos a todos al mismo tiempo para ver cómo operan por sí mismos y también cómo interactúan entre sí, "dijo Lu Wei, autor principal del estudio e investigador postdoctoral en el laboratorio Min. "Hay muchos componentes en un entorno biológico y necesitamos poder ver todo simultáneamente para comprender verdaderamente los procesos".

Además de la microscopía de fluorescencia, Actualmente se utilizan diversas técnicas de microscopía Raman para observar estructuras de tejidos y células vivas que funcionan haciendo visibles las vibraciones derivadas de los enlaces químicos característicos de las estructuras. La microscopía Raman tradicional produce los colores altamente definidos que carecen de la microscopía de fluorescencia, pero le falta la sensibilidad. Como tal, requiere un fuerte, Señal vibratoria concentrada que solo se puede lograr mediante la presencia de millones de estructuras con el mismo enlace químico. Si la señal de los enlaces químicos no es lo suficientemente fuerte, visualizar la estructura asociada es casi imposible.

Para abordar este desafío, Min y su equipo, incluidos los Profs. Virginia Cornish en química y Rafael Yuste en neurociencia, persiguió un nuevo híbrido de técnicas de microscopía existentes.

Desarrollaron una nueva plataforma llamada microscopía electrónica de dispersión Raman estimulada por resonancia previa (epr-SRS) que combina lo mejor de ambos mundos, reuniendo un alto nivel de sensibilidad y selectividad. La técnica innovadora identifica, con extrema especificidad, estructuras con una concentración significativamente menor, en lugar de millones de la misma estructura necesaria para identificar la presencia de esa estructura en la microscopía Raman tradicional, el nuevo instrumento requiere solo 30 para su identificación. La técnica también utiliza un nuevo conjunto de moléculas de marcado diseñadas por el equipo para trabajar sinérgicamente con la tecnología ultramoderna. La "paleta de colores" amplificada de las moléculas amplía las capacidades de etiquetado, permitiendo la obtención de imágenes de hasta 24 estructuras a la vez en lugar de estar limitado por solo cinco colores fluorescentes. Los investigadores creen que existe la posibilidad de una expansión aún mayor en el futuro.

El equipo ha probado con éxito la plataforma epr-SRS en tejido cerebral. "Pudimos ver las diferentes células trabajando juntas, "Wei dijo." Ese es el poder de una paleta de colores más grande. Ahora podemos iluminar todas estas estructuras diferentes en el tejido cerebral simultáneamente. En el futuro, esperamos verlos funcionar en tiempo real ". El tejido cerebral no es lo único para lo que los investigadores prevén que se utilice esta técnica, ella añadió. "Los diferentes tipos de células tienen diferentes funciones, y los científicos generalmente estudian solo un tipo de célula a la vez. Con más colores, ahora podemos comenzar a estudiar múltiples células simultáneamente para observar cómo interactúan y funcionan tanto por sí mismas como juntas en condiciones saludables frente a estados de enfermedad ".

La nueva plataforma tiene muchas aplicaciones potenciales, Min dijo, y agregó que es posible que la técnica algún día se use en el tratamiento de tumores que son difíciles de matar con los medicamentos disponibles. "Si podemos ver cómo interactúan las estructuras en las células cancerosas, podemos identificar formas de apuntar a estructuras específicas con mayor precisión, ", dijo." Esta plataforma podría cambiar las reglas del juego en la búsqueda de comprender cualquier cosa que tenga muchos componentes ".