Nueva tecnología asigna una «hora de muerte» más precisa a las células
Los investigadores de Gladstone desarrollan una nueva tecnología para estudiar más fácilmente los factores que pueden conducir a la muerte celular, en condiciones que incluyen enfermedades neurodegenerativas. Crédito: Michael Short/Gladstone Institutes
Es sorprendentemente difícil saber cuándo una célula cerebral está muerta. Las neuronas que parecen inactivas y fragmentadas bajo el microscopio pueden persistir en una especie de limbo de vida o muerte durante días, y algunas de repente comienzan a emitir señales nuevamente después de parecer inertes. Para los investigadores que estudian la neurodegeneración, esta falta de una declaración precisa del «momento de la muerte» de las neuronas hace que sea difícil precisar qué factores conducen a la muerte celular y detectar medicamentos que podrían evitar que las células envejecidas mueran.
Ahora, los investigadores de Gladstone Institutes han desarrollado una nueva tecnología que les permite rastrear miles de células a la vez y determinar el momento preciso de la muerte de cualquier célula del grupo. El equipo demostró, en un artículo publicado en la revista Nature Communications, que el enfoque funciona en células de roedores y humanos, así como en peces cebra vivos, y puede usarse para seguir las células durante un período de semanas a meses.
«Obtener una hora precisa de la muerte es muy importante para desentrañar la causa y el efecto en las enfermedades neurodegenerativas», dice Steve Finkbeiner, MD, Ph.D., director del Centro de Sistemas y Terapéutica de Gladstone y autor principal de ambos nuevos estudios. «Nos permite descubrir qué factores están causando directamente la muerte celular, cuáles son incidentales y cuáles podrían ser mecanismos de adaptación que retrasan la muerte».
En un artículo complementario publicado en la revista Science Advances, los investigadores combinaron la tecnología de sensores celulares con un enfoque de aprendizaje automático, que le enseña a una computadora a distinguir células vivas y muertas 100 veces más rápido y con mayor precisión que un ser humano.
«A los estudiantes universitarios les llevó meses analizar este tipo de datos lado, y nuestro nuevo sistema es casi instantáneo, en realidad funciona más rápido de lo que podemos adquirir nuevas imágenes en el microscopio», dice Jeremy Linsley, Ph.D., líder del programa científico en el laboratorio de Finkbeiner y el primer autor de ambos nuevos artículos.
Enseñando nuevos trucos a un viejo sensor
Cuando las células mueren, sea cual sea la causa o el mecanismo, finalmente se fragmentan y sus membranas se degeneran. Pero este proceso de degradación lleva tiempo, lo que dificulta que los científicos distingan entre las células que han dejado de funcionar hace mucho tiempo, las que están enfermas y muriendo y las que están sanas.
Los investigadores suelen utilizar etiquetas o colorantes fluorescentes. seguir las células enfermas con un microscopio a lo largo del tiempo y tratar de diagnosticar dónde se encuentran dentro de este proceso de degradación. Se han desarrollado muchos tintes indicadores, tinciones y etiquetas para distinguir las células que ya están muertas de las que todavía están vivas, pero a menudo solo funcionan durante cortos períodos de tiempo antes de desvanecerse y también pueden ser tóxicos para las células cuando se aplican.
«Realmente queríamos un indicador que dure toda la vida útil de una célula, no solo unas pocas horas, y luego brinde una señal clara solo después del momento específico en que la célula muere», dice Linsley.
Linsley, Finkbeiner y sus colegas cooptaron sensores de calcio, originalmente diseñados para rastrear los niveles de calcio dentro de una célula. A medida que una célula muere y sus membranas se vuelven permeables, un efecto secundario es que el calcio se precipita hacia el citosol acuoso de la célula, que normalmente tiene niveles relativamente bajos de calcio.
Entonces, Linsley diseñó los sensores de calcio para residir en el citosol, donde emitirían fluorescencia solo cuando los niveles de calcio aumentaran a un nivel que indica muerte celular. Los nuevos sensores, conocidos como indicadores de muerte genéticamente codificados (GEDI, pronunciado como Jedi en Star Wars), podrían insertarse en cualquier tipo de célula y señalar que la célula está viva o muerta durante toda su vida útil.
Para probar la utilidad de los sensores rediseñados, el grupo colocó bajo el microscopio grandes grupos de neuronas que contenían GEDI. Después de visualizar más de un millón de células, en algunos casos propensas a la neurodegeneración y en otros expuestas a compuestos tóxicos, los investigadores encontraron que el sensor GEDI era mucho más preciso que otros indicadores de muerte celular: no hubo un solo caso en el que el sensor fuera se activó y una célula permaneció viva. Además, además de esa precisión, GEDI también pareció detectar la muerte celular en una etapa más temprana que los métodos anteriores, cerca del «punto de no retorno» para la muerte celular.
«Esto le permite separar células vivas y muertas». células de una manera que nunca antes había sido posible», dice Linsley.
Detección de muerte sobrehumana
Linsley mencionó GEDI a su hermano Drew Linsley, Ph.D., profesor asistente en la Universidad de Brown que se especializa en aplicar inteligencia artificial a datos biológicos a gran escala. Su hermano sugirió que los investigadores usen el sensor, junto con un enfoque de aprendizaje automático, para enseñar a un sistema informático a reconocer células cerebrales vivas y muertas basándose únicamente en la forma de la célula.
El equipo combinó los resultados de el nuevo sensor con datos de fluorescencia estándar en las mismas neuronas, y enseñaron a un modelo de computadora, llamado BO-CNN, a reconocer los patrones de fluorescencia típicos asociados con el aspecto de las células moribundas. El modelo, según demostraron los hermanos Linsley, tenía una precisión del 96 % y era mejor que lo que pueden hacer los observadores humanos, y era más de 100 veces más rápido que los métodos anteriores para diferenciar células vivas y muertas.
«Para algunos tipos de células , es extremadamente difícil para una persona darse cuenta de si una célula está viva o muerta, pero nuestro modelo informático, al aprender de GEDI, pudo diferenciarlas en función de partes de las imágenes que antes no sabíamos que eran útiles para distinguir las células vivas de las muertas. células», dice Jeremy Linsley.
Tanto GEDI como BO-CNN ahora permitirán a los investigadores llevar a cabo nuevos estudios de alto rendimiento para descubrir cuándo y dónde mueren las células cerebrales, un punto final muy importante para algunas de las enfermedades importantes. También pueden examinar fármacos por su capacidad para retrasar o evitar la muerte celular en enfermedades neurodegenerativas. O, en el caso del cáncer, pueden buscar medicamentos que aceleren la muerte de las células enfermas.
«Estas tecnologías cambian las reglas del juego en nuestra capacidad para comprender dónde, cuándo y por qué ocurre la muerte en las células, «, dice Finkbeiner. «Por primera vez, podemos realmente aprovechar la velocidad y la escala proporcionadas por los avances en microscopía asistida por robot para detectar con mayor precisión la muerte celular, y hacerlo mucho antes del momento de la muerte. Esperamos que esto pueda conducir a terapias más específicas para muchas enfermedades neurodegenerativas que hasta ahora han sido incurables».
Explore más
Cómeme: La señal celular de la muerte Más información: Jeremy W. Linsley et al, Detección de muerte celular superhumana con redes neuronales optimizadas con biomarcadores, Science Advances (2021) . DOI: 10.1126/sciadv.abf8142
Jeremy W. Linsley et al, Indicadores de muerte celular codificados genéticamente (GEDI) para detectar un compromiso irreversible temprano con la neurodegeneración, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25549-9 Información de la revista: Nature Communications , Science Advances