Método de etiquetado de células a partir de microscopía adaptado para su uso en imágenes de todo el cuerpo
Imágenes PET de tumores (círculos discontinuos) en el cuerpo de un ratón (derecha en corte transversal). Los investigadores utilizaron un sustrato radiactivo recientemente desarrollado para marcar células tumorales en un organismo vivo. Las células modificadas genéticamente para producir una enzima llamada SNAP-tag tomaron el marcador radiactivo (naranja), mientras que las células sin esta enzima no lo hicieron. Crédito: Depke et al.
Los procesos y estructuras dentro del cuerpo que normalmente están ocultos al ojo pueden hacerse visibles a través de imágenes médicas. Los científicos utilizan imágenes para investigar las funciones complejas de las células y los órganos y buscan 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 monitorear si las terapias están funcionando. Para poder representar procesos específicos en el cuerpo, los investigadores están desarrollando nuevas técnicas para etiquetar células o moléculas para 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 marcaje celular utilizada actualmente en microscopía, la llamada tecnología SNAP-tag, para su uso en imágenes de cuerpo entero con tomografía por emisión de positrones (PET).
Este método etiqueta las células en dos pasos que funcionan para tipos de células completamente diferentes, como células tumorales e inflamatorias. Primero, las células se modifican genéticamente para producir una enzima llamada SNAP-tag en su superficie que es 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, lo que permite que el emisor de señales se transfiera a la enzima. En el proceso, la enzima se modifica para que ya no esté activa y, como resultado, el emisor de la señal permanece estrechamente acoplado a ella. «A través de su actividad biológica, la enzima SNAP-tag se marca a sí misma, por así decirlo, esto sucede muy rápidamente y sin alterar los procesos naturales del organismo», explica Dominic Depke, estudiante de doctorado en biología y uno de los autores principales del nuevo estudio.
En microscopía, los tintes fluorescentes se utilizan para marcar las células, pero en su mayoría no son adecuados para la obtención de imágenes de todo el cuerpo porque sus señales se dispersan por capas de tejido más gruesas, por lo que ya no se pueden medir. Para resolver este problema, los científicos sintetizaron un nuevo sustrato de etiqueta SNAP utilizando el emisor de señales radiactivas flúor-18. El equipo marcó con éxito células tumorales en ratones mediante la inyección de este sustrato en el organismo a través del torrente sanguíneo y luego pudo visualizar los tumores mediante imágenes PET. «Lo emocionante para nosotros acerca 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 Schfers, especialista en medicina nuclear. «Las señales radiactivas del flúor-18 permanecen estables solo por un corto tiempo», agrega el radioquímico Dr. Christian Paul Konken, «pero como podemos repetir el segundo paso de etiquetado, potencialmente podemos visualizar las mismas células una y otra vez durante días y semanas». » El alto nivel de detalle que proporciona la microscopía permite estudiar cómo las células individuales se comunican entre sí. La visión general proporcionada por las imágenes de todo el cuerpo permite a los científicos evaluar cómo funcionan estas células como parte de los sistemas de órganos completos. El tiempo puede revelar qué papel juegan los tipos de células individuales en la inflamación, por ejemplo, cuando comienza, continúa y se resuelve. «Solo combinando toda esta información podemos entender cómo todo está conectado en el cuerpo», dice Michael Schfers.
Un pequeño comienzo con un gran potencial
«Nuestras investigaciones son una primera paso, en el que hemos demostrado que el etiquetado de células con etiquetas SNAP funciona, en principio, en organismos vivos», dice el profesor bioquímico Andrea Rentmeister. “Lo que importa aquí es que el sustrato se distribuya rápidamente en el organismo y que se una exclusivamente a las células a estudiar”. Los próximos pasos cruciales serán probar cuántas células se necesitan para obtener una señal lo suficientemente fuerte y si el método también se puede usar para visualizar las células que se mueven dentro del organismo, en particular las células del sistema inmunitario. Si el enfoque sigue teniendo éxito, la técnica puede volverse 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 están utilizando para el tratamiento del cáncer y también tienen el potencial de ayudar a tratar enfermedades inflamatorias. Las imágenes podrían ayudar a desarrollar y mejorar dichos tratamientos.
Cuando los científicos presentaron sus resultados por primera vez en un simposio científico, se llevaron una sorpresa: colegas de Tbingen presentaron un estudio similar allí al mismo tiempo. Independientemente el uno del otro, ambos equipos de investigación tenían la misma idea fundamental, un sustrato SNAP-tag marcado con flúor-18. Químicamente hablando, implementaron la idea de manera diferente, pero probaron los sustratos resultantes utilizando el mismo sistema de modelo biológico y llegaron a hallazgos similares. «Esto muestra cuán actual es nuestra pregunta y que nuestros resultados son reproducibles y realmente prometedores», dice Michael Schfers. Añade que el equipo de Tbingen está desarrollando nuevos métodos de etiquetado para estudiar las células inmunitarias en el cáncer, mientras que el equipo de Mnster se centra en las enfermedades inflamatorias, por lo que la investigación se complementa muy bien. El equipo de investigación de Mnster publicó su estudio en la revista científica Chemical Communications; solo unos días después, la publicación de Tbingen se publicó en Pharmaceuticals.
Creación de un nuevo sustrato para la etiqueta SNAP
Como todos los sustratos de la etiqueta SNAP, la molécula recién desarrollada es basado en bencilguanina a la que los científicos unieron el isótopo radiactivo flúor-18, que, a su vez, es ideal para imágenes PET. «Nuestro objetivo era diseñar la síntesis en unos pocos pasos rápidos para obtener una señal lo más fuerte posible. Debido a que el flúor-18 tiene una vida media corta, su radioactividad se reduce a la mitad cada 110 minutos», explica Christian Paul Konken. Inicialmente, los científicos encontraron que el flúor-18 no se adhirió a la posición deseada en la molécula. «La bencilguanina aparentemente era demasiado sensible para ser etiquetada directamente con flúor-18», dice Lukas Rsner, estudiante de doctorado en bioquímica, «así que primero etiquetamos una pequeña molécula que es insensible a las reacciones químicas necesarias, la fluoroetilazida, y luego la unimos a la bencilguanina usando un clic de reacción, que es muy rápida y selectiva.”
Pruebas en probeta, cultivos celulares y el organismo
Los científicos comprobaron primero si el sustrato sintetizado se mantenía estable al entrar en contacto con la sangre en el tubo de ensayo y luego examinó cómo las células interactuaban con el sustrato en las primeras pruebas prácticas en cultivos celulares. Al hacerlo, compararon células tumorales humanas a las que habían incorporado genéticamente la enzima SNAP-tag con aquellas que no producían la enzima.
«Pudimos ver muy claramente que la radiactividad solo la absorbían las células que producían la enzima SNAP-tag», dice Dominic Depke. Finalmente, el equipo realizó estudios específicos en ratones individuales. «Este paso fue decisivo una vez más», dice Michael Schfers, «porque el comportamiento de una molécula en el complejo entorno biológico de un organismo vivo no se puede simular completamente en un cultivo celular o con órganos producidos artificialmente».
Los científicos pudieron demostrar que una vez que el sustrato se inyecta en el torrente sanguíneo, se distribuye por el cuerpo muy rápidamente. Además, identificaron las vías por las que se excreta. Luego compararon cómo las células tumorales con y sin la enzima SNAP-tag reaccionaron al sustrato en los organismos vivos. Para ello, las células tumorales se inyectaron bajo la piel de los ratones y se extrajeron de nuevo después del examen para confirmar los resultados con autorradiografía.
Explore más
Un nuevo método para obtener imágenes de células vegetales in vivo con proteínas etiquetadas con SNAP Más información: Dominic Alexej Depke et al, Un nuevo sustrato en el que se puede hacer clic marcado con 18F para Células que expresan SNAP-tag por PET in vivo, Chemical Communications (2021). DOI: 10.1039/D1CC03871K Información de la revista: Chemical Communications
Proporcionado por la Universidad de Mnster Cita: Método de etiquetado celular de microscopía adaptado para su uso en imágenes de cuerpo entero (2021 , 1 de octubre) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-10-cell-method-microscopy-whole-body-imaging.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.