Para comprender mejor el cerebro, necesitamos nuevos métodos para observar su actividad.
Este es el núcleo de un proyecto de ingeniería molecular, dirigido por dos grupos de investigación del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL), que ha dado como resultado un enfoque novedoso para la creación de sondas fotoacústicas para aplicaciones de neurociencia. Se publican los resultados Revista de la Sociedad Química Estadounidense.
“La fotoacústica ofrece una manera de capturar imágenes de un cerebro de ratón completo, pero nos faltaba la sonda adecuada para visualizar la actividad de una sola neurona”, dijo Robert Prevedel, líder del grupo EMBL y autor principal del artículo. Para superar este desafío técnico, trabajó con Claire Deo, otra líder del grupo EMBL y también autora principal del artículo. Él y su equipo se especializan en ingeniería química.
“Pudimos demostrar que podemos marcar neuronas en regiones específicas del cerebro con sondas lo suficientemente brillantes como para ser detectadas por nuestro microscopio fotoacústico personalizado”, dijo Prevedel.
Los científicos pueden aprender más sobre los procesos biológicos rastreando sustancias químicas específicas, como iones o moléculas orgánicas. Las sondas fotoacústicas pueden actuar como “informadores” para detectar sustancias químicas uniéndolas específicamente. Cuando se excitan con un láser, las sondas pueden absorber luz y emitir ondas sonoras que pueden detectarse mediante equipos de imágenes especiales. Sin embargo, para las aplicaciones de neurociencia, hasta ahora los investigadores no han podido diseñar reporteros específicos que puedan visualizar funciones cerebrales adaptadas a la fotoacústica.
Los investigadores experimentaron usando tintes sintéticos como reporteros fotoacústicos de la actividad neuronal, donde fue un desafío controlar dónde iba el tinte y qué se podía etiquetar. Las proteínas han sido particularmente útiles como sondas para marcar moléculas específicas, pero aún no han dado lugar a sondas fotoacústicas efectivas para monitorear la actividad neuronal en todo el cerebro.
“En nuestro caso, hemos tomado lo mejor de estos dos sensores, combinando una proteína con un tinte sintético diseñado racionalmente, y ahora podemos etiquetar y visualizar neuronas en regiones específicas de interés”, dijo Alexander Cook, primer autor del estudio y becario predoctoral en el grupo DO. En el enfoque de diseño racional, los investigadores utilizan el conocimiento y los principios existentes para crear moléculas con las propiedades deseadas, en lugar de crear y probar compuestos aleatorios a ciegas. “Además, no estamos hablando sólo de una observación estática, sino que este hallazgo muestra una respuesta dinámica y reversible al calcio, que es un marcador de la actividad neuronal”, añadió Cook.
Según Dio, este desarrollo tecnológico se enfrenta a un desafío importante. Debido a que las sondas fotoacústicas no se han estudiado exhaustivamente, los investigadores no han podido evaluar las sondas que están desarrollando.
Como resultado, el proyecto comenzó con el coautor del estudio y becario predoctoral Nikita Kaydanov del grupo Privedel, quien diseñó una configuración de espectroscopia a medida. “No existe ningún equipo comercial que pueda medir la señal fotoacústica de la sonda en un tubo de ensayo o en una cubeta, por lo que tuvimos que construir uno”, dijo Kaydanov. “Construimos nuestro propio espectrómetro fotoacústico para evaluar y optimizar las sondas”.
“Esto nos permitió evaluar y caracterizar las distintas sondas que se utilizaron para evaluar una serie de cosas”, dijo Deo. “¿Produjeron una señal fotoacústica detectable? ¿Son lo suficientemente sensibles? Así es como descubrimos los siguientes pasos”.
Pero los investigadores no querían detenerse en el desarrollo de sondas que sólo funcionan en un vial. Luego querían ver cómo funcionaban las sondas en la práctica. Encontraron una manera de introducir las sondas en el cerebro de un ratón y detectaron con éxito señales fotoacústicas de las neuronas dentro de las regiones cerebrales específicas.
“Si bien estamos entusiasmados con el progreso, debemos dejar claro que esta es la primera generación de esta sonda”, dijo Dio. “Aunque ofrecen un enfoque muy prometedor, tenemos mucho más trabajo por hacer, pero esta es una buena primera demostración de lo que este sistema puede permitir y el potencial que tiene para comprender mejor la función cerebral”.
De hecho, esos próximos pasos incluyen mejorar los sistemas de administración de tintes y garantizar la capacidad de usarlos para obtener imágenes dinámicas dentro de las células.
“Esa es realmente una de las ventajas del EMBL: reúne a tanta gente con tantas habilidades diferentes”, dijo Prevedel. “Ambos somos desarrolladores a nuestra manera: mi grupo trabaja más en instrumentación y el grupo de Claire hace más herramientas moleculares. Y combinar eso con neurocientíficos que luego prueban las herramientas, es una forma muy especial y única de hacer investigación. , es posible en el EMBL”.