Utilizando resonancia magnética, los ingenieros han encontrado una manera de detectar luz en lo profundo del cerebro

Los científicos suelen etiquetar las células con proteínas que brillan, lo que les permite rastrear el crecimiento de un tumor o medir los cambios en la expresión genética que ocurren a medida que las células se diferencian.

Si bien esta técnica funciona bien en células y algunos tejidos del cuerpo, ha sido difícil aplicarla para obtener imágenes de estructuras profundas dentro del cerebro, porque la luz se dispersa demasiado antes de que pueda ser detectada.

Los ingenieros del MIT han ideado una forma novedosa de detectar este tipo de luz, conocida como bioluminiscencia, en el cerebro: diseñaron vasos sanguíneos del cerebro para expresar una proteína que hace que se dilaten en presencia de luz. Luego, esa dilatación se puede observar mediante imágenes por resonancia magnética (MRI), lo que permite a los investigadores identificar la fuente de luz.

«Un problema bien conocido al que nos enfrentamos en la neurociencia, así como en otros campos, es que es muy difícil utilizar herramientas ópticas en el tejido profundo. Uno de los objetivos centrales de nuestro estudio fue idear una forma de obtener imágenes de moléculas bioluminiscentes. en tejido profundo con una resolución razonablemente alta», dice Alan Jasanoff, profesor de ingeniería biológica, ciencias cerebrales y cognitivas y ciencia e ingeniería nuclear del MIT.

La nueva técnica desarrollada por Jasanoff y sus colegas podría permitir a los investigadores explorar el funcionamiento interno del cerebro con más detalle de lo que antes era posible.

Jasanoff, que también es investigador asociado en el Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT, es el autor principal del estudio. estudiarque se publicó hoy (10 de mayo) en Ingeniería Biomédica de la Naturaleza. Los ex postdoctorados del MIT, Robert Ohlendorf y Nan Li, son los autores principales del artículo.

Detectando luz

Las proteínas bioluminiscentes se encuentran en muchos organismos, incluidas las medusas y las luciérnagas. Los científicos utilizan estas proteínas para marcar proteínas o células específicas, cuyo brillo puede detectarse mediante un luminómetro. Una de las proteínas que se utiliza a menudo para este propósito es la luciferasa, que se presenta en una variedad de formas que brillan en diferentes colores.

El laboratorio de Jasanoff, que se especializa en desarrollar nuevas formas de obtener imágenes del cerebro mediante resonancia magnética, quería encontrar una manera de detectar la luciferasa en lo profundo del cerebro. Para lograrlo, idearon un método para transformar los vasos sanguíneos del cerebro en detectores de luz. Una forma popular de resonancia magnética funciona mediante la obtención de imágenes de cambios en el flujo sanguíneo en el cerebro, por lo que los investigadores diseñaron los propios vasos sanguíneos para responder a la luz dilatándose.

«Los vasos sanguíneos son una fuente dominante de contraste de imágenes en la resonancia magnética funcional y otras técnicas de imágenes no invasivas, por lo que pensamos que podríamos convertir la capacidad intrínseca de estas técnicas para obtener imágenes de los vasos sanguíneos en un medio para obtener imágenes de la luz, al fotosensibilizar los propios vasos sanguíneos. «, dice Jasanoff.

Para hacer que los vasos sanguíneos sean sensibles a la luz, el investigador los diseñó para que expresaran una proteína bacteriana llamada adenilato ciclasa fotoactivada de Beggiatoa (bPAC). Cuando se expone a la luz, esta enzima produce una molécula llamada AMPc, que hace que los vasos sanguíneos se dilaten.

Cuando los vasos sanguíneos se dilatan, se altera el equilibrio de la hemoglobina oxigenada y desoxigenada, que tienen diferentes propiedades magnéticas. Este cambio en las propiedades magnéticas puede detectarse mediante resonancia magnética.

BPAC responde específicamente a la luz azul, que tiene una longitud de onda corta, por lo que detecta la luz generada a corta distancia. Los investigadores utilizaron un vector viral para administrar el gen de bPAC específicamente a las células del músculo liso que forman los vasos sanguíneos. Cuando se inyectó este vector en ratas, los vasos sanguíneos de una gran zona del cerebro se volvieron sensibles a la luz.

«Los vasos sanguíneos forman una red en el cerebro que es extremadamente densa. Cada célula del cerebro está a un par de docenas de micrones de un vaso sanguíneo», dice Jasanoff. «La forma en que me gusta describir nuestro enfoque es que esencialmente convertimos la vasculatura del cerebro en una cámara tridimensional».

Una vez que los vasos sanguíneos se sensibilizaron a la luz, los investigadores implantaron células que habían sido diseñadas para expresar luciferasa si estaba presente un sustrato llamado CZT. En las ratas, los investigadores pudieron detectar la luciferasa mediante imágenes del cerebro mediante resonancia magnética, que reveló vasos sanguíneos dilatados.

Seguimiento de cambios en el cerebro

Luego, los investigadores probaron si su técnica podría detectar la luz producida por las propias células del cerebro, si estuvieran diseñadas para expresar luciferasa. Entregaron el gen de un tipo de luciferasa llamado GLuc a las células de una región profunda del cerebro conocida como cuerpo estriado. Cuando se inyectó el sustrato CZT a los animales, las imágenes por resonancia magnética revelaron los lugares donde se había emitido la luz.

Esta técnica, que los investigadores denominaron imágenes de bioluminiscencia utilizando hemodinámica, o BLUsH, podría usarse de diversas maneras para ayudar a los científicos a aprender más sobre el cerebro, dice Jasanoff.

Por un lado, podría usarse para mapear cambios en la expresión genética, vinculando la expresión de la luciferasa a un gen específico. Esto podría ayudar a los investigadores a observar cómo cambia la expresión genética durante el desarrollo embrionario y la diferenciación celular, o cuando se forman nuevos recuerdos. La luciferasa también podría usarse para mapear conexiones anatómicas entre células o para revelar cómo las células se comunican entre sí.

Los investigadores ahora planean explorar algunas de esas aplicaciones, así como adaptar la técnica para su uso en ratones y otros modelos animales.

Esta historia se republica por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.