Mirando las buenas vibraciones de las moléculas: un nuevo método para la imagen metabólica sin etiquetas

09.01.2020 - Alemania

La detección dinámica sin etiquetas de las biomoléculas es un gran desafío en la microscopía de células vivas. La visualización simultánea de las alteraciones dinámicas para clases de metabolitos, como los carbohidratos y los lípidos, era una necesidad insatisfecha en la investigación biomédica. Ahora, un método novedoso de imagenología desarrollado por un equipo colaborador de Helmholtz Zentrum München, la Universidad Técnica de Munich (TUM), y el Hospital Universitario de Heidelberg tendrá un impacto importante en el entendimiento básico, la monitorización, la prevención, el diagnóstico, y el tratamiento de las enfermedades metabólicas, como la diabetes y la obesidad.

Las enfermedades metabólicas como la diabetes y la obesidad son cada vez más comunes a nivel mundial. Además de la disposición genética, el estilo de vida contribuye en gran medida a la prevalencia de estas enfermedades metabólicas. Se necesitan métodos de monitoreo precisos para, por ejemplo, evaluar cómo un cambio en la dieta o el ejercicio afecta la enfermedad y sus características metabólicas. Ahora, un equipo del Instituto de Imagen Biológica y Médica del Centro Helmholtz de Múnich y de la Cátedra de Imagen Biológica de TranslaTUM de la Universidad Técnica de Múnich ha desarrollado una técnica que proporciona imágenes en tiempo real de las biomoléculas de las células vivas - sin necesidad de etiquetas o agentes de contraste. La evaluación del sistema de imagenología se realizó en colaboración con el Instituto para la Diabetes y el Cáncer del Helmholtz Zentrum München y el Hospital Universitario de Heidelberg.

El sonido de la luz muestra las biomoléculas en las células y los tejidos

Con esta nueva tecnología, llamada Microscopía Optoacústica de Infrarrojo Medio, o MiROM para abreviar, los investigadores excitan las vibraciones moleculares específicas de la "huella digital" con láseres de infrarrojo medio. La absorción selectiva de la luz infrarroja media transitoria de diferentes moléculas desencadena una expansión termoelástica, es decir, una expansión volumétrica diminuta que genera ondas de ultrasonido. Estas ondas son detectadas y procesadas para formar una imagen de la distribución de las moléculas específicas, dependiendo de la(s) longitud(es) de onda de la excitación.

En comparación con las técnicas anteriores, una ventaja sobresaliente de este nuevo método es que ya no se limita a las muestras fijadas en seco. Al detectar las ondas acústicas, que pasan fácilmente a través de los tejidos en vez de los fotones que son absorbidos fuertemente por los tejidos y el agua, MiROM suministra características de imagenología de los metabolitos más allá de las tecnologías existentes. "MiROM" ofrece un gran avance en materia de microscopía. En la imagenología convencional de infrarrojo medio, la concentración más alta de biomoléculas lleva a una pérdida de señal más alta. Por el contrario, MiROM convierte la imagenología de infrarrojo medio a una modalidad de contraste positivo, en la que una concentración más alta produce señales más fuertes. La técnica demostró la imagenología sin etiqueta de las biomoléculas más allá de las limitaciones de sensibilidad de los métodos Raman", explica el Prof. Vasilis Ntziachristos, Director del Instituto de Imagenología Biológica y Médica y de la Cátedra de Imagenología Biológica.

Un estudio pionero que abre un nuevo campo en la investigación metabólica

"MiROM" proporciona nuevos conocimientos sobre las subpoblaciones de células a lo largo del tiempo. Además, nos permite detectar no sólo los lípidos, sino también los carbohidratos y las proteínas en tiempo real", dice Miguel Pleitez, que dirigió el desarrollo del sistema. La imagenología sin etiqueta de los metabolitos puede impactar las maneras en que estudiamos los procesos moleculares asociados, por ejemplo, con el almacenamiento y liberación de grasa debido a la descomposición de las células grasas blancas y cafés, llamada lipólisis. Sin embargo, también se puede estudiar una gama más amplia de procedimientos metabólicos y las interacciones de diferentes biomoléculas.

Los procesos metabólicos cambian en asociación con la diabetes, la obesidad o las alteraciones de las condiciones del estilo de vida, incluyendo la dieta y el ejercicio. Sin embargo, la observación de muchos de estos procesos hasta ahora requería el uso de etiquetas y agentes de contraste que eran laboriosos y podían afectar la función biológica estudiada. Esta nueva tecnología puede revolucionar las lecturas del metabolismo: "MiROM ofrece observaciones únicas in-vivo sin etiquetas de los procesos metabólicos en tiempo real, que pueden aplicarse para estudiar dinámicamente los efectos de diferentes dietas a nivel celular o para evaluar el rendimiento de nuevas clases de medicamentos", dice Miguel Pleitez. El equipo está trabajando en una versión revisada de MiROM con mayor velocidad, resolución y sensibilidad para impulsar los descubrimientos en un espectro más amplio de enfermedades, incluido el cáncer.

Las primeras implementaciones de MiROM como microscopio de laboratorio demostraron la imagen metabólica en las células y los tejidos extirpados. "Nuestra visión a largo plazo es adaptar la tecnología para permitir mediciones en humanos, de manera que podamos estudiar los procesos sistémicos asociados a los cambios de estilo de vida y optimizar las estrategias de prevención de enfermedades", explica Ntziachristos.

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