Con una técnica de combinación de rayos X avanzada, Los científicos han rastreado nanoportadores de medicamentos contra la tuberculosis dentro de las células con una precisión muy alta. El método combina dos sofisticadas mediciones de rayos X de barrido y puede localizar cantidades minúsculas de varios metales en muestras biológicas a muy alta resolución. en equipo en torno a la científica de DESY, Karolina Stachnik, informa en la revista Informes científicos . Para ilustrar su versatilidad, los investigadores también han utilizado el método de combinación para mapear el contenido de calcio en el hueso humano, un análisis que puede beneficiar la investigación sobre la osteoporosis.

"Los metales juegan un papel clave en numerosos procesos biológicos, desde el transporte de oxígeno en nuestros glóbulos rojos y la mineralización de los huesos hasta la acumulación perjudicial de metales en las células nerviosas como se observa en enfermedades como el Alzheimer, "explica Stachnik, que trabaja en el Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres (CFEL) en DESY. Los rayos X de alta energía hacen que los metales se iluminen con fluorescencia, un método que es muy sensible incluso a pequeñas cantidades. "Sin embargo, las mediciones de fluorescencia de rayos X generalmente no muestran la ultraestructura de una célula, por ejemplo, ", dice el científico de DESY, Alke Meents, quien dirigió la investigación." Si desea ubicar exactamente los metales dentro de su muestra, hay que combinar las mediciones con una técnica de imagen ”. La ultraestructura comprende los detalles de la morfología celular que no son visibles con un microscopio óptico.

Como muestras biológicas, como las celdas, son muy sensibles a la radiación de rayos X, Es muy beneficioso obtener imágenes de su estructura simultáneamente al análisis de fluorescencia. Por esta razón, el equipo combinó las mediciones de fluorescencia con un método de obtención de imágenes conocido como pticografía. "Un microscopio pticográfico es bastante similar a tomar una imagen panorámica, "explica Stachnik." Un espécimen extendido como una célula biológica es escaneado con un pequeño haz de rayos X coherente que produce muchas imágenes superpuestas de partes de la muestra. Estas imágenes superpuestas se unen después ".

El método aplicado funciona sin lentes entre la muestra y el detector, y como consecuencia se registran en el detector los denominados patrones de difracción de rayos X. Cada uno de estos patrones contiene información sobre la estructura espacial de la parte respectiva de la muestra, que se puede calcular a partir del patrón. "Esto finalmente da como resultado un mapa de densidad óptica totalmente cuantitativo de la muestra, "explica Stachnik." A través de este complejo proceso, La pticografía proporciona resoluciones espaciales más allá de los límites habituales de la óptica de rayos X ".

Gracias a su naturaleza de escaneo, La pticografía se puede combinar con la adquisición simultánea de mediciones de fluorescencia de rayos X que proporcionan una huella digital única de los elementos que constituyen la muestra. De este modo, una fotografía de la morfología de la muestra obtenida por pticografía se puede superponer con un mapa de elementos. "La combinación simultánea de estos dos métodos de obtención de imágenes complementarios permite, por tanto, correlaciones sin artefactos de elementos traza con la estructura de la muestra de alta resolución, "resume Meents.

Un requisito previo fundamental es que los rayos X sean de un solo color (monocromáticos, todos tienen la misma longitud de onda) y que oscilan en paso (coherente) como en un láser. "Los rayos X monocromáticos coherentes y suficientemente brillantes con energías lo suficientemente altas como para permitir que los metales como el hierro emitan fluorescencia solo están disponibles en fuentes de luz de sincrotrón modernas como la PETRA III de DESY, "dice Meents.

Para probar el método, Los investigadores de DESY se asociaron con el grupo de Ulrich Schaible del Centro de Investigación Borstel para investigar la localización y concentración de nanoportadores de medicamentos contra la tuberculosis dentro de los macrófagos. las células carroñeras del sistema inmunológico. "Generalmente, los macrófagos destruyen patógenos como virus y bacterias. Desafortunadamente, la bacteria de la tuberculosis ha logrado evadir la destrucción y esconderse dentro de los macrófagos, incluso usándolos para crecer, "dice Schaible." Como barrera para un tratamiento eficaz, los nichos de las bacterias dentro de los macrófagos deben ser alcanzados por antibióticos para que sean eficientes ".

Una nueva estrategia del "Caballo de Troya" utiliza recipientes de hierro de tamaño nanométrico para administrar antibióticos directamente a las células. Estos contenedores son huecos, llenos de antibióticos y miden menos de 20 nanómetros de diámetro (un nanómetro es una millonésima de milímetro). "Los macrófagos se tragan los recipientes, y una vez dentro de la celda, las paredes de hierro de las jaulas se disuelven lentamente debido a la necesidad de hierro de las bacterias. Finalmente, los antibióticos se liberan y matan las bacterias, "explica Schaible.

Para evaluar la eficacia de esta estrategia, el equipo investigó macrófagos que habían sido alimentados con contenedores de hierro. Usando una etapa de escaneo especialmente desarrollada en la línea de luz de difracción y bioimagen P11 de la fuente de rayos X de DESY, PETRA III, los investigadores pudieron capturar imágenes pticográficas y de fluorescencia de 14 células con resolución subcelular e identificaron un total de 22 aglomerados de nanocontenedores dentro de ellas.

En una segunda aplicación, los investigadores se unieron al grupo de Björn Busse del Centro Médico Universitario de Hamburgo-Eppendorf (UKE) y analizaron el contenido de calcio en una muestra de hueso humano. "El calcio es un elemento clave que fortalece nuestros huesos, "explica la coautora Katharina Jähn del grupo de Busse". Sin embargo, en épocas de alto requerimiento de calcio, el cuerpo lo disuelve de los huesos para usarlo en otros lugares. Estos y otros procesos relacionados con la edad pueden provocar osteoporosis, afecta a casi una cuarta parte de todas las mujeres de más de 50 años en Alemania ".

La investigación experimental sobre la mineralización ósea generalmente se realiza en pequeñas porciones de hueso. "Sin embargo, solo el contenido total de calcio generalmente se mapea de esta manera, ", dice Stachnik." Para obtener una medida real de la concentración de calcio, hay que corregir el grosor de la muestra, que a menudo varía. "El equipo utilizó una imagen pticográfica obtenida simultáneamente para eliminar la distorsión del grosor de la masa del mapa de distribución de calcio". Con este enfoque pudimos observar un contenido de calcio localmente más bajo en ciertos puntos en el hueso, que ayuda a comprender mejor el proceso de los trastornos óseos y a cuantificar el efecto de los cambios de mineralización ósea en los pacientes, "enfatiza Stachnik.

Para mejorar aún más el método, los investigadores han comenzado a extender el análisis a medidas tridimensionales. "La configuración experimental se está ampliando actualmente para permitir la adquisición de conjuntos de datos tomográficos tridimensionales en la línea de luz P11, ", dice Meents." Con muchos sincrotrones que se actualizan para producir rayos X aún más brillantes, esperamos que el método aumente el rendimiento y se convierta en una aplicación de rutina en estas instalaciones ".

El Centro de Investigación Borstel, el Instituto Paul Scherrer en Suiza, el Instituto de Tecnología de Karlsruhe, el Centro Médico Universitario de Hamburgo-Eppendorf y DESY participaron en esta investigación.

DESY es uno de los principales centros aceleradores de partículas del mundo e investiga la estructura y función de la materia, desde la interacción de diminutas partículas elementales y el comportamiento de nuevos nanomateriales y biomoléculas vitales hasta los grandes misterios del universo. Los aceleradores y detectores de partículas que DESY desarrolla y construye en sus ubicaciones en Hamburgo y Zeuthen son herramientas de investigación únicas. Generan la radiación de rayos X más intensa del mundo, acelerar las partículas para registrar energías y abrir nuevas ventanas al universo. DESY es miembro de la Asociación Helmholtz, La asociación científica más grande de Alemania, y recibe su financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF, 90 por ciento) y los estados federales alemanes de Hamburgo y Brandeburgo (10 por ciento).