Usando un sensor de resonancia magnética especializado, los investigadores del MIT han demostrado que pueden detectar la luz en las profundidades de los tejidos, como el cerebro.
La obtención de imágenes de la luz en los tejidos profundos es extremadamente difícil porque, a medida que la luz viaja hacia el tejido, gran parte de ella se absorbe o se dispersa. El equipo del MIT superó ese obstáculo al diseñar un sensor que convierte la luz en una señal magnética que puede ser detectada por MRI (imágenes por resonancia magnética).
Este tipo de sensor podría usarse para mapear la luz emitida por fibras ópticas implantadas en el cerebro, como las fibras que se usan para estimular las neuronas durante los experimentos optogenéticos. Con un mayor desarrollo, también podría resultar útil para monitorear a los pacientes que reciben terapias basadas en la luz para el cáncer, dicen los investigadores.
«Podemos obtener imágenes de la distribución de la luz en el tejido, y eso es importante porque las personas que usan la luz para estimular el tejido o para medir el tejido a menudo no saben muy bien adónde va la luz, dónde están estimulando o dónde está la luz». Nuestra herramienta se puede utilizar para abordar esas incógnitas «, dice Alan Jasanoff, profesor de ingeniería biológica, ciencias del cerebro y cognitivas, y ciencia e ingeniería nuclear del MIT.
Jasanoff, quien también es investigador asociado en el Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT, es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Naturaleza Ingeniería Biomédica. Jacob Simon PhD ’21 y el postdoctorado del MIT Miriam Schwalm son los autores principales del artículo, y Johannes Morstein y Dirk Trauner de la Universidad de Nueva York también son autores del artículo.
Una sonda sensible a la luz
Los científicos han estado utilizando la luz para estudiar las células vivas durante cientos de años, desde finales del siglo XVI, cuando se inventó el microscopio óptico. Este tipo de microscopía permite a los investigadores mirar dentro de las células y finas rebanadas de tejido, pero no en lo profundo de un organismo.
«Uno de los problemas persistentes en el uso de la luz, especialmente en las ciencias de la vida, es que no hace un buen trabajo al penetrar muchos materiales», dice Jasanoff. «Los materiales biológicos absorben la luz y la dispersan, y la combinación de esas cosas nos impide usar la mayoría de los tipos de imágenes ópticas para cualquier cosa que implique enfocarse en tejido profundo».
Para superar esa limitación, Jasanoff y sus alumnos decidieron diseñar un sensor que pudiera transformar la luz en una señal magnética.
«Queríamos crear un sensor magnético que responda a la luz localmente y, por lo tanto, no esté sujeto a la absorbancia o la dispersión. Luego, este detector de luz se puede visualizar mediante resonancia magnética», dice.
El laboratorio de Jasanoff ha desarrollado previamente sondas de resonancia magnética que pueden interactuar con una variedad de moléculas en el cerebro, incluidas la dopamina y el calcio. Cuando estas sondas se unen a sus objetivos, afecta las interacciones magnéticas de los sensores con el tejido circundante, atenuando o iluminando la señal de resonancia magnética.
Para hacer una sonda de resonancia magnética sensible a la luz, los investigadores decidieron encerrar partículas magnéticas en una nanopartícula llamada liposoma. Los liposomas utilizados en este estudio están hechos de lípidos sensibles a la luz especializados que Trauner había desarrollado previamente. Cuando estos lípidos se exponen a una cierta longitud de onda de luz, los liposomas se vuelven más permeables al agua o «permeables». Esto permite que las partículas magnéticas del interior interactúen con el agua y generen una señal detectable por resonancia magnética.
Las partículas, que los investigadores llamaron reporteros de nanopartículas liposomales (LisNR), pueden cambiar de permeables a impermeables según el tipo de luz a la que estén expuestas. En este estudio, los investigadores crearon partículas que se vuelven permeables cuando se exponen a la luz ultravioleta y luego se vuelven impermeables nuevamente cuando se exponen a la luz azul. Los investigadores también demostraron que las partículas podían responder a otras longitudes de onda de luz.
«Este artículo muestra un sensor novedoso que permite la detección de fotones con resonancia magnética a través del cerebro. Este trabajo esclarecedor presenta una nueva vía para unir los estudios de neuroimagen dirigidos por fotones y protones», dice Xin Yu, profesor asistente de radiología en la Escuela de Medicina de Harvard, quien fue no participan en el estudio.
Luz de mapeo
Los investigadores probaron los sensores en los cerebros de las ratas, específicamente, en una parte del cerebro llamada estriado, que está involucrada en la planificación del movimiento y la respuesta a la recompensa. Después de inyectar las partículas en todo el cuerpo estriado, los investigadores pudieron mapear la distribución de la luz de una fibra óptica implantada cerca.
La fibra que usaron es similar a las que se usan para la estimulación optogenética, por lo que este tipo de detección podría ser útil para los investigadores que realizan experimentos optogenéticos en el cerebro, dice Jasanoff.
«No esperamos que todos los que hacen optogenética usen esto para cada experimento; es más algo que harías de vez en cuando, para ver si un paradigma que estás usando realmente produce el perfil de luz que crees». debería serlo», dice Jasanoff.
En el futuro, este tipo de sensor también podría ser útil para monitorear pacientes que reciben tratamientos que involucran luz, como la terapia fotodinámica, que usa la luz de un láser o LED para matar las células cancerosas.
Los investigadores ahora están trabajando en sondas similares que podrían usarse para detectar la luz emitida por las luciferasas, una familia de proteínas brillantes que a menudo se usan en experimentos biológicos. Estas proteínas se pueden usar para revelar si un gen en particular está activado o no, pero actualmente solo se pueden obtener imágenes en tejido superficial o células cultivadas en un plato de laboratorio.
Jasanoff también espera usar la estrategia utilizada para el sensor LisNR para diseñar sondas de resonancia magnética que puedan detectar estímulos distintos a la luz, como neuroquímicos u otras moléculas que se encuentran en el cerebro.
«Creemos que el principio que usamos para construir estos sensores es bastante amplio y también se puede usar para otros fines», dice.
La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación G. Harold y Leyla Y. Mathers, una beca Friends of the McGovern del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro, el Programa de Capacitación en Ingeniería Neurobiológica del MIT y una beca individual Marie Curie de La Comisión Europea.
