Una nueva técnica utiliza el sonido para ver células individuales y comprender cómo se comportan.
La técnica hace uso de genes reporteros acústicos.
Permite a los investigadores utilizar ultrasonido para obtener imágenes de una sola célula situada dentro del tejido corporal.
Si usted es investigador y quiere observar cómo se comportan solo 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 que revolotea alrededor de los plátanos maduros de su encimera podría tener 50.000 células. Incluso Caenorhabditis elegans, un pequeño gusano comúnmente utilizado en la investigación biológica, puede tener hasta 3.000 células. Entonces, ¿cómo se controlan un par de diminutas motas microscópicas en medio de todas ellas?
Científicos que trabajan en el laboratorio de Caltech del Mikhail G. Shapiro, profesor de ingeniería química e investigador del Heritage Medical Research Institute, han encontrado una forma.
La nueva técnica utiliza los llamados genes reporteros acústicos, del que Shapiro es uno de los desarrolladores pioneros. Para entender los genes reporteros acústicos, primero hay que saber que los genes reporteros 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 reporteros han codificado proteínas fluorescentes. Por ejemplo, si un investigador inserta uno de estos genes reporteros junto a un gen que quiere estudiar —digamos, el gen responsable del desarrollo de las neuronas—, la activación de esos genes neuronales también producirá moléculas de proteína fluorescente. Cuando se hace incidir la luz adecuada sobre esas células, estas se iluminan, algo similar a como un marcador resalta un pasaje concreto de un libro.
Sin embargo, estos genes reporteros fluorescentes tienen una gran desventaja: la luz no penetra muy profundamente en los tejidos vivos.
Así pues, Shapiro ha desarrollado genes reporteros que utilizan sonido en lugar de luz. Estos genes, cuando se insertan en el genoma de una célula, hacen que esta 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 «resonar» cuando reciben ondas de ultrasonido.
La idea es que, cuando una célula que produce estas vesículas se examina con ultrasonido, emitirá una señal acústica que anuncia su presencia, lo que permite a los investigadores ver dónde se encuentra y qué está haciendo. Esta técnica se ha empleado para mostrar la actividad de enzimas en células en trabajos anteriores del laboratorio de Shapiro.
En su último artículo, el equipo de investigación describe cómo ha aumentado la sensibilidad de esa técnica hasta el punto de poder obtener imágenes de una sola célula, situada dentro del tejido corporal, que porta un gen reportero acústico.
«En comparación con trabajos anteriores sobre vesículas de gas, este artículo nos permite ver cantidades mucho menores de estas vesículas», afirma Daniel Sawyer (doctorado en 2021), primer autor y antiguo estudiante de doctorado en bioingeniería en el laboratorio de Shapiro. «Es como pasar de un satélite que puede ver las luces de un pequeño pueblo a otro que puede ver la luz de una sola farola».
Sus mejoras representan un aumento de más de 1000 veces en la sensibilidad respecto a la técnica anterior que habían utilizado para obtener imágenes de células que portan los genes reporteros acústicos. La diferencia está en el ultrasonido que utilizan y en la forma en que las vesículas de gas responden a él.
Mientras que la técnica de imagen anterior se basaba en que las vesículas resonaran como una campana golpeada, la nueva técnica utiliza un ultrasonido más intenso que «revienta» las vesículas como un globo.
«Las vesículas producen una señal muy intensa en ese momento», explica Shapiro. «Luego las vesículas se rompen y dejan de emitir señal. Estamos buscando ese pequeño destello».
Ese destello es tan nítido que los investigadores pueden detectarlo con facilidad, incluso entre todo el ruido de fondo generado por el ultrasonido al atravesar los tejidos. Shapiro afirma que trabajos recientes sobre cepas modificadas de bacterias inyectables que atacan las células cancerosas, o bacterias «de localización tumoral», hacen necesario disponer de mejores formas de rastrear estas células para ver dónde llegan en el organismo. Los investigadores demostraron que, cuando las bacterias también se modificaban para portar el gen de las vesículas de gas, era posible rastrear células bacterianas individuales mientras entraban y recorrían el hígado tras ser inyectadas en el torrente sanguíneo.
Sawyer afirma que este nivel de sensibilidad es necesario si los investigadores quieren utilizar el ultrasonido para estudiar la composición del microbioma intestinal, que, cuando se altera, puede influir en afecciones como la enfermedad de Alzheimer y el autismo.
«En el intestino hay tantas especies de bacterias, y algunas son tan poco frecuentes, que se necesita algo lo bastante sensible como para detectar solo unas pocas de ellas en lo profundo del cuerpo», afirma.
¿Hace daño a las células la rotura de las vesículas en su interior? No, no realmente.
«La respuesta corta es no, y la respuesta larga es no en la mayoría de los casos prácticos», afirma Sawyer. «Hay algunos casos en que las células bacterianas individuales, muy pequeñas y con una cantidad muy grande de estas vesículas de gas, sufren daños, pero no supone mucha diferencia para la población bacteriana que unas pocas pierdan viabilidad. Y en células de mamíferos, no observamos ningún efecto negativo».
Shapiro y Sawyer persiguen dos líneas de trabajo para su investigación en el futuro. Una de ellas 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 con propiedades diferentes, como vesículas que se rompan con más facilidad, vesículas más resistentes o vesículas más pequeñas que puedan entrar en lugares a los que no llegan las más grandes. La otra línea consiste en encontrar aplicaciones prácticas para la tecnología que han desarrollado, afirma Sawyer.
«En el campo de la microscopía óptica se produjo una coevolución de las sondas ópticas y de los métodos de microscopía, con técnicas como la microscopía de dos fotones y la microscopía de lámina de luz [ambas son tipos de microscopía fluorescente]», afirma Shapiro. «El artículo de Danny forma parte del desarrollo del análogo ultrasónico de esas técnicas de imagen».
El artículo que describe su investigación, titulado «Imagen de ultrasonido ultrasensible de la expresión génica con desmezcla de señales», aparece en el número del 6 de agosto de la revista Nature Methods. Entre los coautores figuran Avinoam Bar Zion, visitante en ingeniería química; Arash Farhadi (doctorado en 2020); Shirin Shivaei, estudiante de posgrado en bioingeniería; Bill Ling, estudiante de posgrado en ingeniería química; y Audrey Lee-Gosselin, anteriormente en Caltech.
La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos.
Mikhail Shapiro es miembro del cuerpo docente afiliado del
