Mapa del Funcionamiento Interno de una Célula Viva

Por: Científicos de Investigación de Resonance Science Foundation 

Una herramienta de imagen, marca nuevas proteínas, lípidos y ADN para seguir los cambios metabólicos en los animales

Herramientas de imagen como los rayos X y la resonancia magnética han revolucionado la medicina al ofrecer a los médicos una visión cercana del cerebro y de otros órganos vitales en personas vivas. Ahora, investigadores de la Universidad de Columbia informan de una nueva forma de acercarse a las escalas más diminutas para seguir los cambios en las células individuales.

La herramienta, descrita en Nature Communications, combina un trazador químico ampliamente utilizado, el D₂O, o agua pesada, con un método relativamente nuevo de obtención de imágenes por láser denominado dispersión Raman estimulada (SRS). Las aplicaciones potenciales de la técnica incluyen desde ayudar a los cirujanos a extirpar tumores con rapidez y precisión hasta ayudar a detectar lesiones en la cabeza y trastornos metabólicos y del desarrollo.

"Podemos utilizar esta tecnología para visualizar las actividades metabólicas en una amplia gama de animales", afirma el autor principal del estudio, Wei Min, profesor de química de la Universidad de Columbia. "Al rastrear dónde y cuándo se fabrican nuevas proteínas, lípidos y moléculas de ADN, podemos saber más sobre cómo se desarrollan y envejecen los animales, y qué es lo que falla en caso de lesión y enfermedad".

El avance consiste en el uso de agua pesada como trazador químico. El agua pesada, que se obtiene sustituyendo los átomos de hidrógeno del agua por su pariente más pesado, el deuterio, tiene el mismo aspecto y sabor que el agua normal y, en pequeñas dosis (no más de cinco cucharadas para los seres humanos), se puede beber sin peligro. Una vez metabolizada por las células del cuerpo, el agua pesada se incorpora a las proteínas, los lípidos y el ADN recién creados, donde el deuterio forma enlaces químicos con el carbono.

Los investigadores descubrieron que cuando estos enlaces carbono-deuterio reciben el impacto de la luz, vibran a distintas frecuencias, lo que permite identificar cada macromolécula como proteína, lípido o ADN. A partir de estas firmas de frecuencia, podrían seguir el crecimiento de nuevas proteínas, lípidos y ADN en el cerebro, la piel, el intestino y otros órganos del animal.

Aunque el agua pesada ya se utiliza para etiquetar proteínas y lípidos con el fin de rastrear los cambios metabólicos, el análisis se realiza actualmente en un espectrómetro de masas, en células extraídas del cuerpo. Este método permite ahora visualizar los cambios subcelulares en tiempo y espacio reales. "Obtenemos una imagen continua de lo que ocurre dentro de las células animales vivas. Antes sólo disponíamos de una instantánea", afirma la coautora del estudio, Lingyan Shi, investigadora postdoctoral en Columbia.

En el estudio, los investigadores diluyeron agua normal con D2O y se la dieron a beber a lombrices, ratones y embriones de pez cebra. Apuntando el láser SRS a diversos tejidos, observaron durante horas y días cómo se acumulaban nuevas proteínas, lípidos y ADN marcados con deuterio.

En un experimento, observaron cómo surgía una línea brillante alrededor de los tumores cerebrales y del colon de rápido crecimiento en los ratones. A medida que las células cancerosas se dividían, se incorporaba más deuterio a sus proteínas y lípidos de nueva creación. "Este método crea una línea nítida entre el tejido sano y el canceroso, lo que facilita mucho la extirpación del tumor", afirma Shi.

Los experimentos también ofrecieron nuevos conocimientos sobre el desarrollo y el envejecimiento de las células.

• En el gusano redondo, observaron que la producción de grasa aumentaba y disminuía en el sistema reproductor del gusano a medida que envejecía. La grasa ayuda a los huevos del gusano a madurar y, una vez que esta grasa añadida deja de ser útil, la formación de grasa se ralentiza, según descubrieron. También observaron que se formaban cúmulos de nuevas proteínas en el cuerpo del gusano más viejo, lo que sugiere que las imágenes de SRS marcadas con deuterio podrían utilizarse para rastrear los depósitos de proteínas y, por tanto, las enfermedades relacionadas con el envejecimiento.
• En los cerebros en desarrollo de las crías de ratón, observaron la formación de una capa de grasa aislante, llamada vaina de mielina, alrededor de cada célula. Observar el proceso en tiempo real sugirió a los investigadores que las imágenes de SRS marcadas con deuterio podrían utilizarse para saber si el cerebro de un niño se está desarrollando correctamente, o si los pacientes que padecen esclerosis múltiple, una enfermedad que ataca la mielina del cerebro e interrumpe el flujo de información, podrían estar recuperándose.
• En las células de las glándulas sudoríparas de los ratones, observaron cómo se formaban nuevos lípidos en las células de los bordes exteriores de las glándulas sudoríparas, empujando a las células viejas hacia el interior. Cuando esas células viejas llegaban por fin al centro de las glándulas, morían y eran expulsadas en un proceso que se cree que hidrata la piel y el pelo por encima.

Pie de foto del vídeo: A medida que las células de las glándulas sudoríparas van cambiando, las más antiguas son empujadas gradualmente hacia el centro de las glándulas y expulsadas del cuerpo. Aquí, las imágenes de SRS marcadas con deuterio destacaron los lípidos recién fabricados en los bordes exteriores de las glándulas sudoríparas de un ratón (arriba a la izquierda y abajo a la derecha). Las células más viejas de una glándula sudorípara interior (abajo a la izquierda) mostraron un menor crecimiento de nuevos lípidos, lo que sugiere que la técnica podría utilizarse para detectar enfermedades relacionadas con el envejecimiento, como el Alzheimer. (Laboratorio Min/Columbia)

"La belleza de este método de mapeo es su simplicidad", afirma Eric Potma, profesor de química de la Universidad de California en Irvine, que no participó en el estudio. "Produce imágenes vívidas de la actividad metabólica en los tejidos con un esfuerzo aparentemente mínimo". A medida que el microscopio SRS sigue haciéndose más pequeño, las imágenes SRS marcadas con deuterio pueden ayudar a detectar los tumores en etapas mucho más tempranas."

Siguiendo una corazonada de que el elemento hidrógeno tenía una forma más pesada, Harold Urey, entonces profesor de química en Columbia, consiguió separar el deuterio del hidrógeno líquido en 1931. El descubrimiento le valió el Premio Nobel de Química tres años después. Además de servir como rastreador en la espectroscopia de masas, el deuterio se utiliza hoy en día para seguir los cambios en la circulación de los océanos, estudiar la formación de las estrellas y modular las reacciones químicas en la fabricación de energía nuclear.

Los otros autores del estudio son Chaogu Zheng, Yihui Shen, Zhixing Chen, Edilson Silveira, Luyan Zhang, Mian Wei, Chang Liu, Carmen de Sena-Tomas y Kimara Targoff. El estudio fue financiado por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales, el Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y la Sangre, los Institutos Nacionales de Salud, la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos, la Fundación Alfred P. Sloan y la Fundación Camille y Henry Dreyfus.

Estudio: Imágenes ópticas de la dinámica metabólica en animales

DOI 10.1038/s41467-018-05401-3

—Kim Martineau

Historia proporcionada por: Universidad de Columbia News