Avanzando en nuestra visión a nivel subcelular
Una imagen de súper resolución capturada en el laboratorio de Diao muestra el retículo endoplásmico en verde, los lisosomas en rosa y las mitocondrias en rojo. Crédito: Jiajie Diao.
En el campo de la investigación científica, los detalles importan. Las minucias de procesos y estructuras se explican con especificidad, los puntos de datos se informan con el decimal más preciso y ver para creer.
Ahora, los biólogos del cáncer de la Universidad de Cincinnati han desarrollado una nueva tecnología y una nueva técnica de imagen que ayudará a los investigadores a recopilar puntos de datos más detallados y a ver las células con mayor detalle al estudiar el desarrollo del cáncer y las enfermedades neurodegenerativas.
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Jiajie Diao, Ph.D., profesor asociado en el Departamento de Biología del Cáncer en la Facultad de Medicina de la UC, publicó recientemente un artículo que detalla el progreso en la revista Advanced Healthcare Materials.
Nueva sonda
Algunas de las investigaciones de Diao se centran en una pequeña parte dentro de las células, llamada lisosoma, que está involucrada en los procesos celulares. Un lisosoma es un «orgánulo» o una estructura especializada que realiza varios trabajos dentro de las células. De la misma manera que los órganos, como el corazón, el hígado, el estómago y los riñones, cumplen funciones específicas para mantener vivo un organismo, los orgánulos cumplen funciones específicas para mantener viva una célula. La investigación de Diao se centra en los lisosomas que actúan como el «centro de reciclaje» dentro de las células, ayudando a la célula a reutilizar bloques de construcción rotos o que funcionan mal para diferentes propósitos.
Para realizar su trabajo, los lisosomas necesitan estar en un ambiente ácido y generalmente tienen un valor de pH bajo. Sin embargo, los niveles anormales de pH dentro de los lisosomas se han asociado con fallas celulares que pueden conducir a enfermedades como el cáncer y la enfermedad de Alzheimer.
Para estudiar cómo los niveles de pH pueden cambiar y afectar los lisosomas y las células, Diao y su equipo colaboró con Dojindo Laboratories y Yujie Sun, Ph.D., profesor asociado en el Departamento de Química de la UC, para desarrollar una nueva sonda que se adhiere a los lisosomas y está especialmente diseñada para brindar más detalles a los investigadores. Diao dijo que la sonda «EC Green» resultante es la próxima generación de sondas de lisosomas y presenta varias mejoras con respecto a los estándares actuales de la industria.
Como sugiere el nombre, la sonda es verde y adquiere un tono verde más brillante cuando la El ambiente celular se vuelve más ácido. Esto brinda a los investigadores más información que las sondas actuales, que no cambian de color, y puede ayudar a identificar las correlaciones entre los cambios en la acidez y las células que se vuelven cancerosas.
Diao dijo que esta sonda única permite el análisis multidimensional de la dinámica de los lisosomas, incluido el análisis espacial , información estructural y de pH a lo largo del tiempo.
Muchas sondas disponibles en la actualidad se conectan dentro del lisosoma, lo que según Diao es como colocar una cuerda dentro de un globo de agua. Si el lisosoma estalla, la sonda se lava y se separa del lisosoma, por lo que ya no es útil para fines de seguimiento.
Por el contrario, la sonda EC Green está anclada a la membrana del lisosoma. Incluso si el lisosoma se rompe, permanece seguro en su posición como un trozo de cuerda que permanece unido a la parte exterior de un globo reventado.
«Así que será muy estable. Puedes ponerlo allí por varios días», dijo Diao. «La sonda comercial de uso común desaparecerá, pero nuestra sonda durará para siempre porque está protegida por la membrana exterior».
La sonda también está especialmente diseñada para emitir una gran cantidad de fotones para que pueda soportar Imágenes de superresolución con láser de alta intensidad.
«Cuando usas una intensidad alta, la mayor parte de la sonda se blanqueará. Cuando estimulas algo con demasiada fuerza, simplemente morirá», dijo Diao.
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Si bien ofrece una serie de ventajas, Diao dijo que la faceta más importante de la sonda es que es útil.
Según Diao, EC Green es relativamente económico y extremadamente rápido y fácil para investigadores a utilizar. Alrededor de 20 a 30 minutos después de teñir las células con la sonda, las muestras pueden lavarse y colocarse bajo un microscopio para su observación.
«Es muy simple y nadie tendría problemas para usarlas», dijo. «Ese fue otro concepto para nosotros cuando desarrollamos la nueva sonda. No queremos hacer todo tan difícil; lo que queremos es hacer todo más simple».
Diao y Sun ya están trabajando duro colaborando en la próxima generación de EC Green, que proporcionará aún más detalles sobre los niveles de pH al cambiar de verde a rojo en diferentes niveles de acidez. La esperanza es estar listo para obtener una patente y publicar otro artículo sobre esta nueva sonda para fines de 2022.
Mapeo del panorama celular
Además de la sonda EC Green, Diao y Sun también han desarrollado una nueva técnica de imagen que permite a los investigadores medir con precisión la distancia, la forma y la ubicación de cada orgánulo dentro de una célula. Esto puede ayudar a proporcionar más información sobre la interacción entre los orgánulos y cómo estas interacciones pueden conducir al desarrollo de enfermedades.
La técnica se basa y utiliza la microscopía de superresolución, que proporciona imágenes más claras de las partículas a nivel subcelular.
«Así que medimos la distancia relativa entre orgánulos como los lisosomas y las mitocondrias», dijo Diao. «Descubrimos que simplemente haciendo un levantamiento y un mapeo dentro de la celda usando nuestra superresolución, podemos lograr y descubrir muchos cambios desconocidos dentro de la celda».
En el primer uso de la nueva técnica de medición descrita en En el artículo, los investigadores descubrieron que las mitocondrias, el orgánulo de las células responsable de la producción de energía y la respiración, se agrandan cuando se desarrollan enfermedades degenerativas.
También se descubrió que los lisosomas tienden a acercarse a las mitocondrias cuando éstas se dañado. La investigación adicional puede ayudar a determinar más acerca de cómo los tamaños y las ubicaciones de los orgánulos en relación entre sí pueden causar enfermedades, dijo Diao.
Aumento de las capacidades con IA
Ahora que la técnica de medición de imágenes ha desarrollado, Diao dijo que el equipo está comenzando a trabajar con científicos informáticos para aprovechar el poder de la inteligencia artificial y aumentar la forma en que se puede usar.
«Hoy en día, muchas mediciones las realizan personas y un simple algoritmo, por lo que todavía necesitamos mano de obra», dijo Diao. «Estamos desarrollando IA, la maquinaria, la inteligencia para tratar de hacer todo por la máquina».
Más adelante, dijo Diao, la esperanza es que se pueda entrenar un algoritmo con una amplia variedad de imágenes de células sanas y enfermas para que el software pueda analizar una imagen celular y luego predecir si se volverá cancerosa o no.
La técnica combinada con IA también podría usarse para estudiar la efectividad de los medicamentos para tratar enfermedades, por ejemplo, para ver si hay orgánulos específicos que están contribuyendo a que un paciente desarrolle resistencia a ciertos medicamentos.
«Esto nos dará una capacidad de siguiente nivel», dijo. «Actualmente, la mayoría de las personas observan el nivel del tejido o un nivel superior, pero podemos bajar al nivel subcelular».
Debido a la compra de un nuevo microscopio de la Facultad de Medicina y Departamento de la UC de Biología del Cáncer, cualquier investigador de la Universidad de Cincinnati o del Centro Médico del Hospital Infantil de Cincinnati ahora está equipado para aprovechar las innovaciones del laboratorio de Diao en estudios futuros.
«Así que eso es lo que realmente estamos intentando, permitir que más personas usen la sonda más avanzada y la técnica de imagen más avanzada para hacer su estudio», dijo Diao.
Explore más
La sonda detecta la destrucción de mitocondrias defectuosas Más información: Kangqiang Qiu et al, De Novo Design of A MembraneAnchored Probe for Multidimensional Quantification of Endocytic Dynamics, Advanced Healthcare Materials (2022) ). DOI: 10.1002/adhm.202102185 Información de la revista: Advanced Healthcare Materials
Proporcionado por la Universidad de Cincinnati Cita: Avance de nuestra visión a nivel subcelular (2022, 25 de febrero ) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-02-advancing-view-subcellular.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.