Si es un investigador que quiere ver cómo se comportan unas pocas células de un organismo, no es una tarea sencilla. El cuerpo humano contiene aproximadamente 37 billones de células; la mosca de la fruta revoloteando alrededor de los plátanos demasiado maduros en su mostrador podría tener 50, 000 celdas. Incluso Caenorhabditis elegans, un gusano diminuto de uso común en la investigación biológica, puede tener hasta 3, 000 celdas. Entonces, ¿Cómo controlas un par de manchas microscópicas en medio de todo eso?

Científicos que trabajan en el laboratorio Caltech de Mikhail G. Shapiro, profesor de ingeniería química e investigador del Heritage Medical Research Institute, he encontrado una manera.

La nueva técnica utiliza los denominados genes indicadores acústicos, de los cuales Shapiro ha sido un desarrollador pionero. Para comprender los genes indicadores acústicos, Primero, sepa que los genes informadores son un fragmento especializado de ADN que los investigadores pueden insertar en el genoma de un organismo para ayudarlos a comprender lo que está haciendo. Históricamente, los genes informadores han codificado proteínas fluorescentes. Por ejemplo, si un investigador inserta uno de estos genes indicadores junto a un gen que desea estudiar, digamos, el gen responsable del desarrollo de las neuronas; la activación de esos genes neuronales también producirá moléculas de proteína fluorescentes. Cuando el tipo correcto de luz se ilumina sobre esas células, se iluminarán, algo así como cómo un resaltador puede marcar un pasaje específico en un libro.

Sin embargo, estos genes reporteros fluorescentes tienen una gran desventaja:la luz no penetra mucho a través de los tejidos vivos.

Entonces, Shapiro ha desarrollado genes reporteros que utilizan sonido en lugar de luz. Estos genes, cuando se inserta en el genoma de una célula, hacen que produzca estructuras proteicas huecas microscópicas conocidas como vesículas de gas. Estas vesículas se encuentran normalmente en ciertas especies de bacterias que las usan para mantenerse a flote en el agua. pero también tienen la útil propiedad de "sonar" cuando son golpeados por ondas de ultrasonido.

La idea es que cuando se obtienen imágenes con ultrasonido de una célula que produce estas vesículas, enviará una señal acústica anunciando su presencia, permitiendo a los investigadores ver dónde está y qué está haciendo. Esta técnica se ha utilizado para mostrar la actividad de las enzimas en las células en trabajos anteriores del laboratorio de Shapiro.

En su último artículo, el equipo de investigación describe cómo ha aumentado tanto la sensibilidad de esa técnica que ahora puede obtener imágenes de una sola célula, ubicado dentro del tejido corporal, que lleva un gen indicador acústico.

"En comparación con trabajos anteriores sobre vesículas de gas, este artículo nos permite ver cantidades mucho más pequeñas de estas vesículas de gas, "dice Daniel Sawyer (PhD '21), autor principal y ex estudiante de doctorado en bioingeniería en el laboratorio de Shapiro. "Es como pasar de un satélite que puede ver las luces de una pequeña ciudad a uno que puede ver la luz desde un solo poste de luz".

Sus mejoras representan un aumento de más de 1000 veces en la sensibilidad con respecto a la técnica anterior que habían estado usando para obtener imágenes de células que portan los genes indicadores acústicos. La diferencia radica en el ultrasonido que utilizan y en cómo responden las vesículas de gas.

Mientras que la técnica de imagen anterior se basaba en que las vesículas sonaran como una campana que se ha golpeado, la nueva técnica utiliza un ultrasonido más fuerte que "hace estallar" las vesículas como un globo.

"Las vesículas producen una señal muy fuerte en ese momento, "Shapiro dice." Entonces las vesículas se rompen y dejan de hacer una señal. Estamos buscando el pequeño problema ".

Esa señal es tan clara que los investigadores pueden detectarla fácilmente. incluso en medio de todo el ruido de fondo producido por la penetración de ultrasonidos a través de los tejidos. Shapiro dice que el trabajo reciente en cepas de bacterias inyectables diseñadas que atacan las células cancerosas, o bacterias "que albergan tumores", crea la necesidad de encontrar mejores formas de rastrear estas células para ver en qué parte del cuerpo aterrizan. Los investigadores demostraron que cuando las bacterias también fueron diseñadas para transportar el gen de la vesícula gaseosa, era posible rastrear células bacterianas individuales a medida que ingresaban y viajaban a través del hígado después de ser inyectadas en el torrente sanguíneo.

Sawyer dice que este nivel de sensibilidad es necesario si los investigadores quieren utilizar el ultrasonido para estudiar la composición del microbioma intestinal. cuales, cuando se interrumpe, puede influir en afecciones como la enfermedad de Alzheimer y el autismo.

"Hay tantas especies de bacterias en tu intestino, y algunos son tan raros que necesitas algo lo suficientemente sensible para ver solo algunos de ellos en el interior del cuerpo, " él dice.

¿Hacer estallar las vesículas dentro de las células daña las células? No, realmente no.

"La respuesta corta es no, y la respuesta larga es no en la mayoría de los casos prácticos, "Dice Sawyer." Hay algunos casos en los que se dañan células bacterianas individuales que son muy pequeñas y tienen una gran cantidad de estas vesículas de gas, pero no supone una gran diferencia para la población bacteriana si algunas de ellas se vuelven menos viables. Y en células de mamíferos, no vimos ningún efecto negativo ".

Shapiro y Sawyer están siguiendo dos caminos para su investigación en el futuro. Un camino se basará en lo que los investigadores ya han desarrollado para crear técnicas de imagen más avanzadas. Eso implicará diseñar y probar nuevos tipos de vesículas que tienen diferentes propiedades, como vesículas que se abren con más facilidad, o vesículas más robustas, o vesículas más pequeñas que pueden caber en lugares donde las vesículas más grandes no pueden. El otro camino es encontrar aplicaciones prácticas para la tecnología que han desarrollado, Dice Sawyer.

"En el campo de la microscopía óptica, hubo esta evolución conjunta de las sondas ópticas y los métodos de microscopía con técnicas como la microscopía de dos fotones y la microscopía de hoja de luz [ambos son tipos de microscopía fluorescente], "Dice Shapiro." El artículo de Danny es parte del desarrollo del análogo de ultrasonido de esas técnicas de imagen ".

Los detalles del proceso se publicaron en Métodos de la naturaleza .