Las imágenes por ultrasonido se utilizan en todo el mundo para ayudar a visualizar a los bebés en desarrollo y diagnosticar enfermedades. Las ondas sonoras rebotan en los tejidos, revelando sus diferentes densidades y formas. El siguiente paso en la tecnología de ultrasonido es obtener imágenes no solo de la anatomía, pero células y moléculas específicas más profundas en el cuerpo, como los asociados a tumores o bacterias en nuestro intestino.

Un nuevo estudio de Caltech describe cómo las técnicas de ingeniería de proteínas podrían ayudar a lograr este hito. Los investigadores diseñaron nanoestructuras con caparazón de proteínas llamadas vesículas de gas, que reflejan ondas sonoras, para exhibir nuevas propiedades útiles para las tecnologías de ultrasonido. En el futuro, estas vesículas de gas podrían administrarse a un paciente para visualizar tejidos de interés. Se demostró que las vesículas de gas modificadas:emiten señales más distintas, haciéndolos más fáciles de imaginar; apuntar a tipos de células específicos; y ayudar a crear imágenes de ultrasonido en color.

"Es algo así como la ingeniería con Legos moleculares, "dice el profesor asistente de ingeniería química e investigador principal del patrimonio, Mikhail Shapiro, quien es el autor principal de un nuevo artículo sobre la investigación publicado en la edición de este mes de la revista ACS Nano y aparece en la portada de la revista. "Podemos intercambiar diferentes 'piezas' de proteínas en la superficie de las vesículas de gas para alterar sus propiedades de focalización y visualizar múltiples moléculas en diferentes colores".

"Hoy dia, la ecografía es principalmente anatómica, "dice Anupama Lakshmanan, estudiante de posgrado en el laboratorio de Shapiro y autor principal del estudio. "Queremos reducirlo al nivel molecular y celular".

En 2014, Shapiro descubrió por primera vez el uso potencial de vesículas de gas en imágenes de ultrasonido. Estas estructuras llenas de gas se encuentran naturalmente en organismos unicelulares que habitan en el agua, como Anabaena flos-aquae, una especie de cianobacterias que forma grupos filamentosos de cadenas multicelulares. Las vesículas de gas ayudan a los organismos a controlar cuánto flotan y, por lo tanto, su exposición a la luz solar en la superficie del agua. Shapiro se dio cuenta de que las vesículas reflejarían fácilmente las ondas sonoras durante las imágenes de ultrasonido, y finalmente demostró esto usando ratones.

En las últimas investigaciones, Shapiro y su equipo se propusieron dar a las vesículas de gas nuevas propiedades mediante la ingeniería de la proteína C de las vesículas de gas, o GvpC, una proteína que se encuentra naturalmente en la superficie de las vesículas que les da resistencia mecánica y evita que colapsen. La proteína se puede diseñar para que tenga diferentes tamaños, con versiones más largas de la proteína que producen nanoestructuras más fuertes y rígidas.

"Las proteínas son como las varillas de estructura del fuselaje de un avión. Se utilizan para determinar la mecánica de la estructura". Dice Shapiro.

En un experimento, los científicos eliminaron la proteína de refuerzo de las vesículas de gas y luego administraron las vesículas diseñadas a ratones y realizaron imágenes de ultrasonido. En comparación con las vesículas normales, las vesículas modificadas vibraron más en respuesta a las ondas sonoras, y así resonó con frecuencias armónicas. Los armónicos se crean cuando las ondas sonoras rebotan, por ejemplo en un violín, y formar nuevas ondas con frecuencias duplicadas y triplicadas. Los armónicos no se crean fácilmente en los tejidos naturales, haciendo que las vesículas se destaquen en las imágenes de ultrasonido.

En otro conjunto de experimentos, los investigadores demostraron cómo se podía hacer que las vesículas de gas se dirigieran a ciertos tejidos del cuerpo. Diseñaron genéticamente las vesículas para mostrar varios objetivos celulares, como una secuencia de aminoácidos que reconoce proteínas llamadas integrinas que se producen en exceso en las células tumorales.

"Agregar estas funcionalidades a las vesículas de gas es como colocar una nueva pieza de Lego; es un sistema modular, "dice Shapiro.

El equipo también mostró cómo se pueden crear imágenes de ultrasonido multicolores. Las imágenes de ultrasonido convencionales aparecen en blanco y negro. El grupo de Shapiro creó un enfoque para obtener imágenes de tres tipos diferentes de vesículas de gas como "colores" separados en función de su capacidad diferencial para resistir el colapso bajo presión. Las vesículas en sí mismas no aparecen en diferentes colores, pero se les pueden asignar colores en función de sus diferentes propiedades.

Para demostrar esto, el equipo fabricó tres versiones diferentes de las vesículas con diferentes concentraciones de la proteína GvpC. Luego aumentaron las presiones de ultrasonido, provocando que las poblaciones variantes colapsen sucesivamente una por una. A medida que cada población colapsaba, la señal de ultrasonido general disminuyó en proporción a la cantidad de esa variante en la muestra, y este cambio de señal se asignó luego a un color específico. En el futuro, si cada población variante se dirigió a un tipo de célula específico, los investigadores podrían visualizar las células en varios colores.

"Es posible que pueda ver las células tumorales frente a las células inmunitarias que atacan el tumor, y así monitorear el progreso de un tratamiento médico, "dice Shapiro.