Utilizando láseres de alta potencia, este nuevo método podría ayudar a los biólogos a estudiar las respuestas inmunes del cuerpo y desarrollar nuevos medicamentos

Por: Adam Zewe | Noticias del MIT

La obtención de imágenes metabólicas es un método no invasivo que permite a los médicos y científicos estudiar células vivas utilizando luz láser, lo que puede ayudarlos a evaluar la progresión de la enfermedad y las respuestas al tratamiento.

Pero la luz se dispersa cuando incide en el tejido biológico, lo que limita su profundidad de penetración y dificulta la resolución de las imágenes capturadas.

Ahora, los investigadores del MIT han desarrollado una nueva técnica que duplica con creces el límite de profundidad habitual de las imágenes metabólicas. Su método también aumenta la velocidad de obtención de imágenes, lo que permite obtener imágenes más ricas y detalladas.

Esta nueva técnica no requiere que el tejido sea procesado previamente, como cortarlo o teñirlo con tintes. En lugar de eso, un láser especializado ilumina profundamente el tejido, lo que hace que ciertas moléculas intrínsecas dentro de las células y los tejidos emitan luz. Esto elimina la necesidad de alterar el tejido, lo que proporciona una representación más natural y precisa de su estructura y función.

Los investigadores lograron esto personalizando de manera adaptativa la luz láser para los tejidos profundos. Mediante un moldeador de fibra desarrollado recientemente (un dispositivo que controlan doblándolo), pueden ajustar el color y los pulsos de luz para minimizar la dispersión y maximizar la señal a medida que la luz viaja más profundamente en el tejido. Esto les permite ver mucho más profundamente en el tejido vivo y capturar imágenes más claras.

Una mayor profundidad de penetración, velocidades más rápidas y una resolución más alta hacen que este método sea particularmente adecuado para aplicaciones de imágenes exigentes como la investigación del cáncer, la ingeniería de tejidos, el descubrimiento de fármacos y el estudio de las respuestas inmunes.

“Este trabajo muestra una mejora significativa en términos de penetración en profundidad para la obtención de imágenes metabólicas sin etiquetas. Abre nuevas vías para estudiar y explorar la dinámica metabólica en profundidad en los biosistemas vivos”, afirma Sixian You, profesor adjunto del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), miembro del Laboratorio de Investigación en Electrónica y autor principal de un artículo sobre esta técnica de obtención de imágenes.

En el artículo colaboran con ella el autor principal Kunzan Liu, estudiante de posgrado de la EECS; Tong Qiu, posdoctorado del MIT; Honghao Cao, estudiante de posgrado de la EECS; Fan Wang, profesor de ciencias cognitivas y del cerebro; Roger Kamm, profesor distinguido Cecil e Ida Green de Ingeniería biológica y mecánica; Linda Griffith, profesora de Innovación Docente de la Facultad de Ingeniería en el Departamento de Ingeniería Biológica; y otros colegas del MIT.

Enfocado por láser

Este nuevo método pertenece a la categoría de imágenes sin etiquetas, lo que significa que el tejido no se tiñe de antemano. La tinción crea un contraste que ayuda al biólogo clínico a ver mejor los núcleos celulares y las proteínas. Pero la tinción normalmente requiere que el biólogo seccione y corte la muestra, un proceso que a menudo mata el tejido y hace imposible estudiar los procesos dinámicos en las células vivas.

En las técnicas de obtención de imágenes sin marcadores, los investigadores utilizan láseres para iluminar moléculas específicas dentro de las células, lo que hace que emitan luz de diferentes colores que revelan diversos contenidos moleculares y estructuras celulares. Sin embargo, generar la luz láser ideal con determinadas longitudes de onda y pulsos de alta calidad para obtener imágenes de tejidos profundos ha sido todo un desafío.

Los investigadores desarrollaron un nuevo método para superar esta limitación. Utilizaron una fibra multimodo, un tipo de fibra óptica que puede transportar una cantidad significativa de energía, y la acoplaron a un dispositivo compacto llamado “modelador de fibra”. Este modelador les permite modular con precisión la propagación de la luz al cambiar de forma adaptativa la forma de la fibra. Al doblar la fibra, se modifica el color y la intensidad del láser.

Basándose en  trabajos anteriores, los investigadores adaptaron la primera versión del modelador de fibras para obtener imágenes metabólicas multimodales más profundas.

“Queremos canalizar toda esta energía en los colores que necesitamos con las propiedades de pulso que necesitamos. Esto nos brinda una mayor eficiencia de generación y una imagen más clara, incluso en las profundidades de los tejidos”, afirma Cao.

Una vez que construyeron el mecanismo controlable, desarrollaron una plataforma de imágenes para aprovechar la poderosa fuente láser para generar longitudes de onda de luz más largas, que son cruciales para una penetración más profunda en los tejidos biológicos.

“Creemos que esta tecnología tiene el potencial de hacer avanzar significativamente la investigación biológica. Al hacerla asequible y accesible para los laboratorios de biología, esperamos dotar a los científicos de una poderosa herramienta para el descubrimiento”, afirma Liu.

Aplicaciones dinámicas

Cuando los investigadores probaron su dispositivo de imágenes, la luz fue capaz de penetrar más de 700 micrómetros en una muestra biológica, mientras que las mejores técnicas anteriores sólo podían alcanzar unos 200 micrómetros.

“Con este nuevo tipo de imágenes profundas, queremos observar muestras biológicas y ver algo que nunca hemos visto antes”, añade Liu.

La técnica de imágenes profundas les permitió ver células en múltiples niveles dentro de un sistema vivo, lo que podría ayudar a los investigadores a estudiar los cambios metabólicos que ocurren a diferentes profundidades. Además, la mayor velocidad de obtención de imágenes les permite recopilar información más detallada sobre cómo el metabolismo de una célula afecta la velocidad y la dirección de sus movimientos.

Este nuevo método de obtención de imágenes podría suponer un impulso para el estudio de los organoides, que son células diseñadas que pueden crecer para imitar la estructura y la función de los órganos. Los investigadores de los laboratorios de Kamm y Griffith son pioneros en el desarrollo de organoides cerebrales y endometriales que pueden crecer como órganos para la evaluación de enfermedades y su tratamiento.

Sin embargo, ha sido un desafío observar con precisión los desarrollos internos sin cortar o teñir el tejido, lo que mata la muestra.

Esta nueva técnica de imágenes permite a los investigadores monitorear de forma no invasiva los estados metabólicos dentro de un organoide vivo mientras continúa creciendo.

Con estas y otras aplicaciones biomédicas en mente, los investigadores planean aspirar a imágenes con una resolución aún mayor. Al mismo tiempo, están trabajando para crear fuentes láser de bajo ruido, que podrían permitir imágenes más profundas con una dosis de luz menor.

También están desarrollando algoritmos que reaccionan a las imágenes para reconstruir las estructuras 3D completas de muestras biológicas en alta resolución.

A largo plazo, esperan aplicar esta técnica en el mundo real para ayudar a los biólogos a monitorear la respuesta a los medicamentos en tiempo real para ayudar en el desarrollo de nuevos medicamentos.

«Al permitir la obtención de imágenes metabólicas multimodales que llegan a los tejidos más profundamente, estamos brindando a los científicos una capacidad sin precedentes para observar sistemas biológicos no transparentes en su estado natural. Estamos entusiasmados por colaborar con médicos, biólogos y bioingenieros para ampliar los límites de esta tecnología y convertir estos conocimientos en avances médicos del mundo real», afirma You.

“Este trabajo es apasionante porque utiliza métodos de retroalimentación innovadores para obtener imágenes del metabolismo celular en tejidos más profundos en comparación con las técnicas actuales. Estas tecnologías también proporcionan velocidades de obtención de imágenes rápidas, que se utilizaron para descubrir dinámicas metabólicas únicas de la motilidad de las células inmunitarias dentro de los vasos sanguíneos. Espero que estas herramientas de obtención de imágenes sean fundamentales para descubrir vínculos entre la función celular y el metabolismo dentro de sistemas vivos dinámicos”, afirma Melissa Skala, investigadora del Instituto de Investigación Morgridge que no participó en este trabajo.

“Poder obtener imágenes multifotónicas de alta resolución basándose en el contraste de autofluorescencia de NAD (P) H de forma más rápida y profunda en los tejidos abre la puerta al estudio de una amplia gama de problemas importantes”, añade Irene Georgakoudi, profesora de ingeniería biomédica en la Universidad de Tufts, que tampoco participó en este trabajo. “Obtener imágenes de tejidos vivos lo más rápido posible siempre que se evalúe la función metabólica es siempre una gran ventaja en términos de garantizar la relevancia fisiológica de los datos, muestrear un volumen de tejido significativo o monitorear cambios rápidos. Para aplicaciones en el diagnóstico del cáncer o en neurociencia, obtener imágenes más profundas y más rápidas nos permite considerar un conjunto más rico de problemas e interacciones que no se han estudiado antes en tejidos vivos”.