Un nuevo método de imagen no invasiva revoluciona el estudio de tejidos vivos
Mediante láseres de alta potencia, una innovadora técnica, que permite que la luz láser penetre más profundamente en tejidos vivos, podría ayudar a los biólogos a estudiar las respuestas inmunológicas del cuerpo y desarrollar nuevos fármacos.
Por Adam Zewe / MIT News
Esta animación muestra imágenes metabólicas profundas de sistemas multicelulares 3D vivos e intactos, que se cultivaron en el laboratorio Roger Kamm del MIT. El lado más claro es el resultado del nuevo método de imagen de los investigadores, en combinación con su trabajo anterior sobre el desenfoque basado en la física. Crédito: Cortesía de los investigadores
La imagen metabólica es un método no invasivo que permite a médicos y científicos estudiar células vivas mediante luz láser, lo que puede ayudarles a evaluar la progresión de la enfermedad y las respuestas al tratamiento.
Pero la luz se dispersa cuando incide en el tejido biológico, lo que limita la profundidad a la que puede penetrar, y dificulta la resolución de las imágenes captadas.
Ahora, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han desarrollado una nueva técnica que duplica con creces el límite de profundidad habitual de las imágenes metabólicas. El método también aumenta la velocidad de obtención de imágenes, que son más ricas y detalladas.
Sin teñir y sin cortar
Esta nueva técnica no requiere un procesamiento previo del tejido, como cortarlo o teñirlo con colorantes. En su lugar, un láser especializado ilumina el tejido en profundidad, haciendo que determinadas moléculas intrínsecas de las células y los tejidos emitan luz. Esto elimina la necesidad de alterar el tejido, lo que proporciona una representación más natural y precisa de su estructura y función.
Los investigadores lo consiguieron adaptando la luz láser a los tejidos profundos. Gracias a un dispositivo recientemente desarrollado para moldear la fibra, que los científicos controlan doblándola, pueden ajustar el color y los pulsos de luz para minimizar la dispersión y maximizar la señal a medida que la luz se adentra en el tejido. Esto les permite ver mucho más dentro del tejido vivo y captar imágenes más nítidas.
La mayor profundidad de penetración, la mayor velocidad y la mayor resolución hacen que este método sea especialmente adecuado para aplicaciones de obtención de imágenes exigentes, como ocurre en la investigación del cáncer, la ingeniería de tejidos, el descubrimiento de fármacos y el estudio de las respuestas inmunitarias.
Enfoque láser
«Este trabajo muestra una mejora significativa en términos de profundidad de penetración para la obtención de imágenes metabólicas sin etiquetas. Abre nuevas vías para estudiar y explorar la dinámica metabólica en las profundidades de los biosistemas vivos», afirma Sixian You, profesora del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS), miembro del Laboratorio de Investigación en Electrónica y autora principal de un artículo sobre esta técnica de obtención de imágenes. Esta ha sido publicado en la revista Science Advances.
Este nuevo método pertenece a la categoría de imágenes sin etiqueta, lo que significa que el tejido no se tiñe previamente. La tinción crea un contraste que ayuda al biólogo clínico a ver mejor los núcleos celulares y las proteínas. Pero la tinción suele requerir que el biólogo seccione y corte la muestra, un proceso que a menudo mata el tejido y hace imposible estudiar los procesos dinámicos de las células vivas.
En las técnicas de imagen sin etiquetas, los investigadores utilizan láseres para iluminar moléculas específicas dentro de las células, haciendo que emitan luz de distintos colores que revelan diversos contenidos moleculares y estructuras celulares. Sin embargo, generar la luz láser ideal con determinadas longitudes de onda y pulsos de alta calidad para la obtención de imágenes de tejidos profundos ha sido todo un reto.
Energía de colores
Los investigadores desarrollaron un nuevo enfoque para superar esta limitación. Utilizan una fibra multimodo, un tipo de fibra óptica que puede transportar una cantidad significativa de energía, y la acoplan con un dispositivo compacto llamado moldeador de fibra. Este moldeador les permite modular con precisión la propagación de la luz, cambiando adaptativamente la forma de la fibra. Doblar la fibra cambia el color y la intensidad del láser.
Basándose en trabajos anteriores, los investigadores adaptaron la primera versión del moldeador de fibras para obtener imágenes metabólicas multimodales más profundas.
«Queremos canalizar toda esta energía en los colores que necesitamos con las propiedades de pulso que necesitamos. Esto nos da una mayor eficiencia de generación y una imagen más clara, incluso en las profundidades de los tejidos», dice Honghao Cao, del EECS y coautor del trabajo.
Una vez construido el mecanismo controlable, desarrollaron una plataforma de obtención de imágenes para aprovechar la potente fuente láser y generar longitudes de onda de luz más largas, cruciales para una penetración más profunda en los tejidos biológicos.
«Creemos que esta tecnología puede hacer avanzar considerablemente la investigación biológica. Al hacerla asequible y accesible a los laboratorios de biología, esperamos dotar a los científicos de una poderosa herramienta para el descubrimiento», afirma Kunzan Liu, del EECS y coautora del estudio.
La nueva técnica permite que la luz láser penetre más profundamente en el tejido vivo, lo que captura imágenes más nítidas de las células en diferentes capas de un sistema vivo. A la izquierda, está la imagen inicial y a la derecha, la imagen optimizada con la nueva técnica. Crédito: Cortesía de los investigadores
Cuando los investigadores probaron su dispositivo de obtención de imágenes, la luz pudo penetrar más de 700 micrómetros en una muestra biológica, mientras que las mejores técnicas anteriores solo podían alcanzar unos 200 micrómetros. Más del triple.
«Con este nuevo tipo de imagen profunda, queremos observar muestras biológicas y ver algo que nunca antes habíamos visto», añade Liu.
La técnica de imagen profunda les permitió observar células a varios niveles dentro de un sistema vivo, lo que podría ayudar a los investigadores a estudiar los cambios metabólicos que se producen a distintas profundidades. Además, la mayor velocidad de obtención de imágenes les permite recabar información más detallada sobre cómo afecta el metabolismo de una célula a la velocidad y dirección de sus movimientos.
Asomarse a los organoides sin dañarlos
Este nuevo método de obtención de imágenes podría suponer un impulso para el estudio de los organoides, que son células diseñadas que pueden crecer para imitar la estructura y la función de los órganos. Los investigadores de los laboratorios de Roger Kamm, profesor de Ingeniería Biológica y Mecánica, y Linda Griffith, profesora de Innovación Docente de la Facultad de Ingeniería del Departamento de Ingeniería Biológica, son pioneros en el desarrollo de organoides cerebrales y endometriales que pueden crecer como órganos para la evaluación de enfermedades y tratamientos.
Sin embargo, ha sido un reto observar con precisión los desarrollos internos sin cortar o teñir el tejido, lo que mata la muestra.
Esta nueva técnica de obtención de imágenes permite a los investigadores controlar de forma no invasiva los estados metabólicos dentro de un organoide vivo mientras sigue creciendo.
Imágenes más profundas con una dosis menor de luz
Con estas y otras aplicaciones biomédicas en mente, los investigadores planean aspirar a imágenes con una resolución aún mayor. Al mismo tiempo, están trabajando para crear fuentes láser de bajo ruido, que podrían permitir obtener imágenes más profundas con una dosis menor de luz.
También están desarrollando algoritmos que reaccionan a las imágenes para reconstruir las estructuras 3D completas de muestras biológicas en alta resolución.
A largo plazo, esperan aplicar esta técnica en el mundo real para ayudar a los biólogos a controlar la respuesta de los fármacos en tiempo real y contribuir así al desarrollo de nuevos medicamentos.
“Al hacer posible la obtención de imágenes metabólicas multimodales que penetran más profundamente en los tejidos, estamos proporcionando a los científicos una capacidad sin precedentes para observar sistemas biológicos no transparentes en su estado natural. Nos entusiasma colaborar con médicos, biólogos y bioingenieros para ampliar los límites de esta tecnología y convertir estos conocimientos en avances médicos reales.”
«Este trabajo es apasionante porque utiliza métodos innovadores de retroalimentación para obtener imágenes del metabolismo celular a mayor profundidad en los tejidos en comparación con las técnicas actuales —explica Melissa Skala, investigadora del Instituto Morgridge de Investigación que no participó en este trabajo. Y añade—: Estas tecnologías también proporcionan velocidades de imagen rápidas, que se utilizaron para descubrir la dinámica metabólica única de la motilidad de las células inmunitarias dentro de los vasos sanguíneos. Espero que estas herramientas de imagen sean decisivas para descubrir vínculos entre la función celular y el metabolismo en sistemas vivos dinámicos». ▪️
Artículo publicado con el permiso de MIT News
Fuente: Kunzan Liu et al. Deep and dynamic metabolic and structural imaging in living tissues. Science Advanced (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp2438
