Este artículo se publica en colaboración con MIT News.
Ingenieros químicos y neurocientíficos del MIT han desarrollado una nueva forma de clasificar las neuronas mediante el marcaje y la obtención de imágenes de las proteínas presentes en cada célula. Este tipo de imagen ofrece pistas sobre la función de cada neurona y debería ayudar a cartografiar el cerebro humano, según afirman los investigadores.
“Cada célula utiliza una combinación única de proteínas. Básicamente, es una huella dactilar”, afirma Kwanghun Chung, profesor asistente Samuel A. Goldblith del Departamento de Ingeniería Química, miembro del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas (IMES) del MIT y del Instituto Picower de Aprendizaje y Memoria, además de líder del equipo de investigación. “Si se pueden observar los patrones de expresión de muchas proteínas, entonces se puede deducir el tipo de cada célula y lo que está haciendo.”
Con este enfoque, los investigadores lograron visualizar 22 proteínas diferentes dentro de cortes de cerebro humano, aunque el método podría escalarse para analizar muchas más proteínas y muestras de tejido más grandes. Esto podría ayudar a los científicos a comprender mejor cómo las enfermedades alteran la química cerebral.
“Ahora, los investigadores podrán investigar las diferencias entre los cerebros de modelos de enfermedades y de animales normales, observando simultáneamente potencialmente docenas de moléculas diferentes. Esto es muy importante, ya que la variación individual entre cerebros dificultaría establecer conexiones sólidas al observar esas mismas moléculas, una a una, en docenas de muestras”, afirma el estudiante de posgrado Evan Murray, uno de los autores principales de un artículo que describe la técnica en el número del 3 de diciembre de Cell.
Los otros autores principales del artículo son los estudiantes de posgrado Jae Hun Cho, Daniel Goodwin y Justin Swaney, y el posdoctorando Taeyun Ku.
Marcar, enjuagar, repetir
El avance clave de la nueva tecnología, conocida como SWITCH, es la capacidad de conservar el tejido de tal forma que pueda obtenerse imágenes repetidamente, con diferentes proteínas marcadas en cada ocasión.
Para lograrlo, los investigadores idearon un método para controlar las reacciones químicas necesarias para la conservación y el marcaje del tejido. Esto les permite primero conservar el tejido, luego marcar una proteína determinada y obtener su imagen. Después pueden eliminar la molécula marcadora y marcar otra proteína, una y otra vez.
El control de las reacciones químicas requiere un par de tampones —soluciones de ácidos y bases débiles— que alteran el entorno del tejido. Uno de los tampones, conocido como SWITCH-Off, detiene la mayoría de las reacciones químicas en el tejido, mientras que el tampón SWITCH-On permite que se reanuden.
Para preparar las muestras de tejido, los investigadores primero añaden el tampón SWITCH-Off, seguido de los productos químicos necesarios para la conservación del tejido, el más importante de los cuales es el glutaraldehído. Como los productos químicos no pueden reaccionar con ninguna célula, se difunden uniformemente por toda la muestra. “Es como si estos productos químicos estuvieran en modo sigilo. No son detectados por el tejido”, afirma Chung.
Cuando los investigadores añaden el tampón SWITCH-On, el glutaraldehído forma un gel que conserva el tejido. Los investigadores también añaden un detergente para destruir los lípidos de las membranas celulares, lo que hace que el interior de las células sea más visible con un microscopio óptico.
Una vez que el tejido está conservado y listo para la obtención de imágenes, los investigadores vuelven a añadir el tampón SWITCH-Off. Con el tejido en un estado no reactivo, añaden marcadores como anticuerpos o colorantes, que pueden adaptarse para detectar no solo proteínas, sino también ADN, neurotransmisores o lípidos. Una vez que los marcadores se han difundido por el tejido, al añadir el tampón SWITCH-On todas las células quedan expuestas simultáneamente a los marcadores.
Análisis de proteínas
En el estudio publicado en Cell, los investigadores marcaron 22 proteínas diferentes en una pequeña sección de tejido cerebral humano (de aproximadamente 3 milímetros por 3 milímetros por 0,1 milímetros). Tras 22 rondas de marcaje, el tejido seguía en buen estado, por lo que los investigadores creen que esta técnica podría utilizarse para obtener imágenes de aún más proteínas.
También examinaron la distribución de seis proteínas en tejido de la corteza visual humana y lograron marcar y obtener imágenes de las fibras mielinizadas que conectan las distintas regiones del cerebro. “Si se pueden visualizar estas fibras, entonces realmente se puede comprender la conectividad cerebral y las leyes fundamentales que rigen cómo se forman y conectan estos cables”, afirma Chung.
El tamaño del tejido que puede obtenerse en imagen está limitado únicamente por el tiempo necesario para marcar las proteínas y obtener la imagen de la muestra.
Cada molécula marcadora tarda aproximadamente un mes en difundirse a través de una muestra de tejido de tamaño centímetro cúbico, pero Chung y sus colegas recientemente informaron en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias que podrían acelerarlo drásticamente exponiendo el tejido a un campo eléctrico que cambia aleatoriamente. Esto reduce el tiempo de difusión a aproximadamente un día.
El tiempo de obtención de imágenes depende del tipo de microscopio utilizado. En este estudio, los investigadores emplearon un microscopio de lámina de luz, que puede obtener imágenes de muestras aproximadamente 100 veces más rápido que un microscopio óptico tradicional. Con este microscopio, se tardaron unas dos horas en obtener la imagen de un cerebro de ratón completo, frente a unos tres días con un microscopio tradicional.
“Existen otras formas de realizar imágenes proteómicas, pero muchas son bidimensionales, no escalables o requieren equipos especiales”, afirma Chung. “Pero con esta técnica, cualquiera puede hacerlo y es escalable.”
Robert Brown, presidente del departamento de neurología de la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts, afirma que la nueva técnica forma parte de una “nueva generación de tecnologías de imagen basadas en la manipulación cuidadosa de estructuras bioquímicas”.
“Es extraordinaria porque permite observar múltiples objetivos simultáneamente en la misma célula, con resolución tridimensional, algo que no era factible con los métodos de imagen anteriores”, añade.
El laboratorio de Chung pondrá a disposición protocolos detallados y otros recursos a través de su sitio web. Ahora planea empezar a utilizar SWITCH para estudiar los trastornos neurológicos humanos y también trabaja en otras tecnologías para ayudar a cartografiar el cerebro humano.
La publicación no implica el respaldo de los puntos de vista por parte del Foro Económico Mundial.
Para mantenerse al día con la Agenda suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autora: Anne Trafton es colaboradora invitada de MIT News.
Imagen: Una mujer pasa junto a una exhibición de una lámina de cerebro del paciente “H.M.” durante la presentación a la prensa de la exposición MIT 150 en el MIT Museum. REUTERS/Brian Snyder.
