Método de etiquetado de células a partir de la microscopía adaptado para su uso en imágenes de cuerpo entero por primera vez
Los investigadores desarrollan métodos de imagen para examinar los procesos corporales desde sus componentes individuales hasta el sistema completo
Los procesos y estructuras del cuerpo que normalmente están ocultos al ojo pueden hacerse visibles mediante la imagen médica. Los científicos utilizan las imágenes para investigar las complejas funciones de las células y los órganos y buscar formas de detectar y tratar mejor las enfermedades. En la práctica médica diaria, las imágenes del cuerpo ayudan a los médicos a diagnosticar enfermedades y a controlar si las terapias funcionan. Para poder representar procesos específicos en el cuerpo, los investigadores están desarrollando nuevas técnicas para etiquetar células o moléculas de modo que emitan señales que puedan detectarse fuera del cuerpo y convertirse en imágenes significativas. Un equipo de investigación de la Universidad de Münster ha adaptado por primera vez una estrategia de etiquetado de células que se utiliza actualmente en microscopía -la llamada tecnología SNAP-tag- para utilizarla en la obtención de imágenes de todo el cuerpo con tomografía por emisión de positrones (PET).
Imágenes PET de tumores (círculos discontinuos) en un ratón (a la derecha en sección transversal) utilizando un sustrato radiactivo recientemente desarrollado. Las células tumorales que producen una enzima SNAP-tag captaron el marcador radiactivo (naranja), mientras que las células sin esta enzima no lo hicieron.
Depke D et al.
Este método etiqueta las células en dos pasos que funcionan para tipos celulares completamente diferentes, como las células tumorales e inflamatorias. En primer lugar, las células se modifican genéticamente para que produzcan en su superficie la denominada enzima SNAP-tag, exclusiva de las células objetivo. A continuación, la enzima se pone en contacto con un sustrato SNAP-tag adecuado. El sustrato se marca con un emisor de señales y se estructura químicamente para que la enzima lo reconozca y lo divida, permitiendo que el emisor de señales se transfiera a la enzima. En el proceso, la enzima se modifica para que deje de ser activa y, como resultado, el emisor de señales permanece fuertemente acoplado a ella. "A través de su actividad biológica, la enzima SNAP-tag se etiqueta a sí misma, por así decirlo, y esto ocurre muy rápidamente y sin perturbar los procesos naturales del organismo", explica Dominic Depke, estudiante de doctorado en biología y uno de los autores principales del nuevo estudio.
En microscopía se utilizan tintes fluorescentes para etiquetar las células, pero en la mayoría de los casos no son adecuados para la obtención de imágenes de todo el cuerpo porque sus señales se dispersan por las capas de tejido más gruesas, con el resultado de que no se pueden medir. Para resolver este problema, los científicos sintetizaron un nuevo sustrato de etiqueta SNAP que utiliza el emisor de señales radiactivas flúor-18. El equipo ha conseguido etiquetar células tumorales en ratones inyectando este sustrato en el organismo a través del torrente sanguíneo y, a continuación, ha podido visualizar los tumores mediante imágenes PET. "Lo más interesante para nosotros de la tecnología SNAP-tag es que abre la posibilidad de visualizar células codificadas genéticamente en el cuerpo con diferentes modalidades de imagen y en diferentes etapas temporales; lo llamamos imagen multiescala", explica el profesor Michael Schäfers, especialista en medicina nuclear. "Las señales radiactivas del flúor-18 permanecen estables durante poco tiempo", añade el radioquímico Dr. Christian Paul Konken, "pero como podemos repetir el segundo paso de etiquetado, podemos visualizar potencialmente las mismas células una y otra vez durante días y semanas". El alto nivel de detalle que ofrece la microscopía permite estudiar cómo se comunican las células individuales entre sí. La visión de conjunto que ofrecen las imágenes de todo el cuerpo permite a los científicos evaluar el funcionamiento de estas células como parte de sistemas orgánicos completos. El tiempo puede revelar el papel que desempeñan los distintos tipos de células en la inflamación, por ejemplo, a medida que ésta comienza, continúa y se resuelve. "Sólo combinando toda esta información podremos entender cómo está todo conectado en el cuerpo", afirma Michael Schäfers.
Un pequeño comienzo con gran potencial
"Nuestras investigaciones son un primerísimo paso, en el que hemos demostrado que el etiquetado de células con etiquetas SNAP funciona, en principio, en organismos vivos", subraya la bioquímica Andrea Rentmeister. "Lo que importa aquí es que el sustrato se distribuya rápidamente en el organismo y que se una exclusivamente a las células que se van a estudiar". Los próximos pasos cruciales serán comprobar cuántas células se necesitan para obtener una señal suficientemente fuerte y si el método puede utilizarse también para visualizar células que se mueven dentro del organismo, en particular las del sistema inmunitario. Si el método sigue teniendo éxito, la técnica podría ser importante para futuras investigaciones sobre inmunoterapias en las que las propias células inmunitarias del cuerpo se modifican genéticamente en el laboratorio para que puedan combatir una enfermedad específica. Estas terapias ya se utilizan para el tratamiento del cáncer y tienen el potencial de ayudar a tratar también las enfermedades inflamatorias. Las imágenes podrían ayudar a desarrollar y mejorar estos tratamientos.
Cuando los científicos presentaron sus resultados por primera vez en un simposio científico, se encontraron con una sorpresa: sus colegas de Tubinga presentaron allí un estudio similar al mismo tiempo. Independientemente el uno del otro, ambos equipos de investigación tuvieron la misma idea fundamental, un sustrato de etiqueta SNAP etiquetado con flúor-18. Desde el punto de vista químico, aplicaron la idea de forma diferente, pero probaron los sustratos resultantes utilizando el mismo sistema modelo biológico y llegaron a resultados similares. "Esto demuestra la actualidad de nuestra cuestión y que nuestros resultados son reproducibles y realmente prometedores", afirma Michael Schäfers. Añade que el equipo de Tubinga está desarrollando nuevos métodos de etiquetado para estudiar las células inmunitarias en el cáncer, mientras que el equipo de Münster se centra en las enfermedades inflamatorias, por lo que las investigaciones se complementan muy bien. El equipo de investigación de Münster publicó su estudio en la revista científica "Chemical Communications", y sólo unos días después la publicación de Tübingen apareció en "Pharmaceuticals".
Creación de un nuevo sustrato para la etiqueta SNAP
Como todos los sustratos de la etiqueta SNAP, la molécula recién desarrollada se basa en la bencilguanina, a la que los científicos unieron el isótopo radiactivo flúor-18, que es, a su vez, ideal para la obtención de imágenes por PET. "Nuestro objetivo era diseñar la síntesis en unos pocos pasos rápidos para obtener una señal lo más potente posible; como el flúor-18 tiene una vida media corta, su radiactividad se reduce a la mitad cada 110 minutos", explica Christian Paul Konken. Al principio, los científicos descubrieron que el flúor-18 no se fijaba en la posición deseada de la molécula. "La bencilguanina era aparentemente demasiado sensible para ser etiquetada directamente con flúor-18", dice Lukas Rösner, estudiante de doctorado de bioquímica, "así que primero etiquetamos una pequeña molécula insensible a las reacciones químicas necesarias -la fluoroetilazida- y luego la unimos a la bencilguanina mediante una reacción de clic, que es muy rápida y selectiva".
Pruebas en tubo de ensayo, cultivos celulares y el organismo
Los científicos comprobaron primero si el sustrato sintetizado permanecía estable en contacto con la sangre en el tubo de ensayo y luego examinaron cómo interactuaban las células con el sustrato en las primeras pruebas prácticas en cultivos celulares. Para ello, compararon las células tumorales humanas a las que habían incorporado genéticamente la enzima SNAP-tag con las que no producían la enzima. "Pudimos comprobar claramente que la radiactividad sólo era captada por las células que producían la enzima SNAP-tag", afirma Dominic Depke. Por último, el equipo llevó a cabo estudios específicos en ratones individuales. "Este paso fue decisivo una vez más", explica Michael Schäfers, "porque la forma en que una molécula se comporta en el complejo entorno biológico de un organismo vivo no puede simularse completamente en un cultivo celular o con órganos producidos artificialmente". Los científicos pudieron demostrar que, una vez inyectado el sustrato en el torrente sanguíneo, se distribuye por el cuerpo con gran rapidez. Además, identificaron las vías por las que se excreta. A continuación, compararon cómo las células tumorales con y sin la enzima SNAP-tag reaccionaban al sustrato en organismos vivos. Para ello, se inyectaron las células tumorales bajo la piel de los ratones y se volvieron a extraer tras el examen para confirmar los resultados con autorradiografía.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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