Ingenieros logran detectar luz en la profundidad del cerebro con la ayuda de la resonancia magnética

La nueva técnica de bioluminiscencia podría permitir estudios detallados de cómo se desarrollan y se comunican entre sí las células cerebrales.

Por Anne Trafton / MIT News

Una nueva forma de detectar bioluminiscencia en el cerebro utiliza imágenes por resonancia magnética (MRI). La técnica, desarrollada en el MIT, podría permitir a los investigadores explorar el funcionamiento interno del cerebro con más detalle de lo que era posible hasta ahora. En la foto se muestran vasos sanguíneos que ahora aparecen de color rojo brillante después de la transducción con un gen que les confiere fotosensibilidad. Cortesía: MIT

Los científicos suelen etiquetar las células con proteínas que brillan, lo que les permite, por ejemplo, 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 encéfalo: 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 neurociencia, así como en otros campos, es que resulta muy difícil utilizar herramientas ópticas en tejidos profundos— explica Alan Jasanoff, catedrático de Ingeniería Biológica, Ciencias Cognitivas y del Cerebro y Ciencia e Ingeniería Nucleares del MIT. Y añade—: Uno de los principales objetivos de nuestro estudio era encontrar una forma de obtener imágenes de moléculas bioluminiscentes en tejidos profundos con una resolución razonablemente alta".

Los científicos usan proteínas luminiscentes de criaturas como las medusas.

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 ha sido posible hasta ahora.

Jasanoff, que también es investigador asociado del Instituto McGovern de Investigación Cerebral del MIT, es el autor principal del estudio, que ha sido publicado en Nature Biomedical Engineering. Robert Ohlendorf y Nan Li, antiguos postdocs del MIT, también firman el artículo.

Las proteínas bioluminiscentes se encuentran en muchos organismos, como las medusas y las luciérnagas. Los científicos utilizan estas proteínas para etiquetar proteínas o células específicas, cuyo brillo puede ser detectado por un luminómetro —instrumento capaz de detectar fotones de luz emitidos por una reacción química o enzimática—. Una de las proteínas que suelen utilizarse con este fin es la luciferasa, que se presenta en diversas formas que brillan con diferentes colores.

Luciérnaga de la especie Photinus pyralis. La luz se produce por un proceso de oxidación de la luciferina en presencia de la enzima luciferasa.

El laboratorio de Jasanoff, especializado en el desarrollo de nuevas formas de obtener imágenes del cerebro mediante resonancia magnética, quería encontrar una manera de detectar la luciferasa en las profundidades del cerebro. Para conseguirlo, idearon un método para transformar los vasos sanguíneos del cerebro en detectores de luz.

Una forma muy popular de resonancia magnética se basa en la imagen de los cambios en el flujo sanguíneo del cerebro, por lo que los investigadores diseñaron los propios vasos sanguíneos para que respondieran a la luz dilatándose.

“Los vasos sanguíneos son una fuente dominante de contraste en la resonancia magnética funcional y otras técnicas de imagen no invasivas, así que pensamos que podíamos convertir la capacidad intrínseca de estas técnicas para obtener imágenes de los vasos sanguíneos en un medio para obtener imágenes de la luz, fotosensibilizando los propios vasos sanguíneos”, explica Jasanoff.

Vasos sanguíneos sensibles a la luz.

Para que los vasos sanguíneos fueran sensibles a la luz, los investigadores los modificaron para que expresaran una proteína bacteriana denominada adenilato ciclasa fotoactivada de Beggiatoa (bPAC). Cuando se expone a la luz, esta enzima produce una molécula llamada AMPc, que provoca la dilatación de los vasos sanguíneos.

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

El 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 vírico para administrar el gen de la bPAC específicamente a las células musculares lisas que forman los vasos sanguíneos. Al inyectar este vector en ratas, los vasos sanguíneos de una amplia zona del cerebro se volvieron fotosensibles.

“Los vasos sanguíneos forman una red extremadamente densa en el cerebro. Cada célula cererbral se encuentra a un par de docenas de micras de un vaso sanguíneo— comenta Jasanoff. Y añade—: La forma en que me gusta describir nuestro enfoque es que esencialmente convertimos la vasculatura del cerebro en una cámara tridimensional”.

Una vez sensibilizados los vasos sanguíneos a la luz, los investigadores implantaron células diseñadas para expresar luciferasa en presencia de un sustrato llamado CZT. En las ratas, los investigadores pudieron detectar la luciferasa mediante imágenes cerebrales por resonancia magnética, que revelaron la dilatación de los vasos sanguíneos.

Seguimiento de los cambios en el cerebro.

A continuación, los investigadores probaron si su técnica podía detectar la luz producida por las propias células cerebrales, si se modificaban para que expresaran luciferasa. Administraron el gen de un tipo de luciferasa llamada GLuc a células de una región profunda del cerebro conocida como estriado. Cuando se inyectó el sustrato CZT en los animales, las imágenes de resonancia magnética revelaron los lugares donde se había emitido la luz.

Esta técnica, que los investigadores denominaron imágenes de bioluminiscencia mediante hemodinámica (BLUsH, por sus siglas en inglés), podría utilizarse de diversas formas para ayudar a los científicos a conocer mejor el cerebro, afirma Jasanoff.

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

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

• Publicado con permiso de MIT News

• Fuente: Ohlendorf, R., Li, N., Phi Van, V.D. et al. Imaging bioluminescence by detecting localized haemodynamic contrast from photosensitized vasculature. Nature Biomedical Engineering (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41551-024-01210-w