Nova técnica expande os tecidos para que centenas de biomoléculas possam ser vistas no interior das células
Para os biólogos, ver é acreditar. Mas, por vezes, os biólogos têm dificuldade em ver.
Mapeamento TEMI da distribuição de lípidos nas camadas do cerebelo. Esta imagem mostra espécies lipídicas especificamente enriquecidas em três camadas distintas do cerebelo: camada molecular, camada de substância branca e camada de células granulares.
Zhang and Ding et al.
Um desafio particularmente difícil é ver simultaneamente todas as moléculas de uma amostra de tecido intacto, até ao nível de células individuais. Detetar a localização de centenas ou milhares de biomoléculas - desde lípidos a metabolitos e proteínas - no seu ambiente nativo permite aos investigadores compreender melhor as suas funções e interações. Infelizmente, os cientistas não dispõem de grandes ferramentas para realizar esta tarefa.
Os métodos de imagem, incluindo a maioria dos tipos de microscopia, permitem ver as moléculas no interior das células. No entanto, apenas conseguem localizar um punhado de moléculas de cada vez e não conseguem detetar todos os tipos de biomoléculas, incluindo alguns lípidos. Outros métodos, como a espetrometria de massa normal, podem detetar centenas de moléculas, mas não funcionam em amostras intactas, pelo que os investigadores não podem ver como as biomoléculas estão orientadas.
Uma técnica promissora - a imagem por espetrometria de massa - ultrapassa alguns destes desafios. Permite aos investigadores ver centenas de moléculas de uma só vez em tecidos intactos. No entanto, não tem uma resolução suficientemente elevada para permitir a deteção ao nível de uma única célula.
Foi este o problema que Meng Wang, líder do grupo sénior da Janelia, enfrentou. Wang e a sua equipa estudam os mecanismos fundamentais subjacentes ao envelhecimento e à longevidade, e queriam detetar muitas biomoléculas diferentes em tecidos intactos para compreender como os componentes mudam à medida que os tecidos envelhecem.
"Saber em cada local específico que moléculas estão lá e o que está nas células vizinhas é muito importante para qualquer tipo de questão biológica", diz Wang.
Felizmente, o laboratório de Wang fica ao fundo do corredor do cientista principal da Janelia, Paul Tillberg. Tillberg co-inventou uma técnica chamada microscopia de expansão quando era estudante de pós-graduação no MIT. O método utiliza um material de hidrogel expansível para expandir as amostras uniformemente em todas as direcções até um ponto em que detalhes finos, como a estrutura de sub-organelos, podem ser detectados com um microscópio convencional.
Agora, com uma década de existência, o processo de expansão está a ser aplicado a outros métodos fora da microscopia tradicional. Wang, Tillberg e os seus colaboradores em Janelia e na Universidade de Wisconsin-Madison queriam ver se podiam utilizar a expansão para ultrapassar o problema de resolução espacial da imagem por espetrometria de massa.
O resultado é um novo método que expande gradualmente as amostras de tecido sem ter de as degradar a nível molecular, como acontece no processo de expansão original. Ao expandir as amostras intactas em todas as direcções, os investigadores podem utilizar a imagem por espetrometria de massa para detetar simultaneamente centenas de moléculas ao nível de uma única célula nas suas localizações nativas.
"Isto permite-nos ter uma visão não direcionada do espaço molecular e estamos a tentar aproximá-la do que a microscopia pode fazer em termos de resolução espacial", diz Tillberg.
A equipa utilizou a nova técnica para delinear os padrões espaciais específicos de pequenas moléculas em diferentes camadas do cerebelo. Descobriram que estas moléculas - incluindo lípidos, péptidos, proteínas, metabolitos e glicanos - não estão uniformemente distribuídas, como se pensava anteriormente. Além disso, descobriram que cada camada específica do cerebelo tem a sua própria assinatura de lípidos, metabolitos e proteínas.
A equipa também conseguiu detetar biomoléculas nos rins, pâncreas e tecidos tumorais, demonstrando que o método pode ser adaptado a muitos tipos de tecidos diferentes. Nos tecidos tumorais, a equipa conseguiu visualizar grandes variações nas biomoléculas, o que pode ser útil para compreender os mecanismos moleculares dos tumores e, potencialmente, ajudar no desenvolvimento de medicamentos.
"Quando conseguimos ver estas biomoléculas, podemos começar a perceber porque é que elas têm esses padrões e como é que isso está relacionado com a função", afirma Wang. Wang acredita que a nova tecnologia permitirá aos investigadores seguir estes padrões durante o desenvolvimento, o envelhecimento e a doença para compreender como as diferentes moléculas contribuem para estes processos.
Uma vez que o novo método não requer a adição de hardware a um sistema de imagem de espetrometria de massa existente e a técnica de expansão é relativamente fácil de aprender, a equipa espera que seja utilizada por muitos laboratórios em todo o mundo. A equipa espera também que a nova técnica torne a imagem por espetrometria de massa uma ferramenta mais útil para os biólogos e apresentou uma descrição detalhada do novo método e um roteiro para o adaptar a outros tipos de tecidos.
"Queríamos desenvolver algo que não exigisse instrumentos ou procedimentos especializados, mas que pudesse ser amplamente adotado", afirma Wang.
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