Método de etiquetado de células de microscopía adaptado para su uso en imágenes de cuerpo entero

Los procesos y estructuras dentro del cuerpo que normalmente están ocultos al ojo pueden hacerse visibles a través de imágenes médicas. Los científicos utilizan imágenes para investigar las funciones complejas de las células y los órganos y buscan formas de detectar y tratar mejor las enfermedades. En la práctica médica diaria, las imágenes del cuerpo ayudan a los médicos a diagnosticar enfermedades y monitorear si las terapias están funcionando. Para poder representar procesos específicos en el cuerpo, los investigadores están desarrollando nuevas técnicas para etiquetar células o moléculas para que emitan señales que puedan detectarse fuera del cuerpo y convertirse en imágenes significativas. Un equipo de investigación de la Universidad de Münster ha adaptado ahora una estrategia de etiquetado de células que se usa actualmente en microscopía, la llamada tecnología SNAP-tag, para su uso en imágenes de cuerpo entero con tomografía por emisión de positrones (PET).

Este método etiqueta las células en dos pasos que funcionan para tipos de células completamente diferentes, como tumores y células inflamatorias. En primer lugar, las células se modifican genéticamente para producir en su superficie una enzima llamada SNAP-tag que es exclusiva de las células objetivo. A continuación, la enzima se pone en contacto con un sustrato SNAP-tag adecuado. El sustrato se marca con un emisor de señales y se estructura químicamente para que la enzima lo reconozca y lo divida, lo que permite que el emisor de señales se transfiera a la enzima. En el proceso, la enzima se modifica para que ya no esté activa y, como resultado, el emisor de la señal permanece estrechamente acoplado a ella. Según los investigadores, la enzima SNAP-tag se marca a sí misma a través de su actividad biológica; esto sucede muy rápidamente y sin alterar los procesos naturales del organismo.

En microscopía, los tintes fluorescentes se utilizan para marcar las células, pero en su mayoría no son adecuados para la obtención de imágenes de todo el cuerpo porque sus señales se dispersan por capas de tejido más gruesas, por lo que ya no se pueden medir. Para resolver este problema, los científicos sintetizaron un nuevo sustrato de etiqueta SNAP utilizando el emisor de señales radiactivas flúor-18. El equipo ha marcado con éxito células tumorales en ratones inyectando este sustrato en el organismo a través del torrente sanguíneo. Luego pudieron visualizar los tumores usando imágenes PET.

Esta tecnología abre la posibilidad de visualizar células genéticamente codificadas en el cuerpo con diferentes modalidades de imagen y en diferentes etapas temporales; los investigadores lo llaman imagen multiescala. Aunque las señales radiactivas del flúor-18 permanecen estables solo por un corto tiempo, el segundo paso de marcaje se puede repetir, por lo que las mismas células se pueden visualizar una y otra vez durante días y semanas.

El alto nivel de detalle que proporciona la microscopía permite estudiar cómo las células individuales se comunican entre sí. La visión general proporcionada por las imágenes de todo el cuerpo permite a los científicos evaluar cómo funcionan estas células como parte de los sistemas de órganos completos. El tiempo puede revelar qué papel juegan los tipos de células individuales en la inflamación, por ejemplo, cómo comienza, continúa y se resuelve. Los investigadores dicen que al combinar toda esta información se puede entender cómo todo está conectado en el cuerpo.

Los próximos pasos cruciales serán probar cuántas células se necesitan para obtener una señal lo suficientemente fuerte y si el método también se puede usar para visualizar las células que se mueven dentro del organismo, en particular, las células del sistema inmunitario. Si el enfoque continúa teniendo éxito, la técnica puede volverse importante para futuras investigaciones sobre inmunoterapias en las que las propias células inmunitarias del cuerpo se modifican genéticamente en el laboratorio para que puedan combatir una enfermedad específica. Estas terapias ya se están utilizando para el tratamiento del cáncer y también tienen el potencial de ayudar a tratar enfermedades inflamatorias. Las imágenes podrían ayudar a desarrollar y mejorar dichos tratamientos.

Cuando los científicos presentaron sus resultados por primera vez en un simposio científico, se llevaron una sorpresa:colegas de Tübingen presentaron un estudio similar allí al mismo tiempo. Independientemente el uno del otro, ambos equipos de investigación tenían la misma idea fundamental, un sustrato SNAP-tag marcado con flúor-18. Hablando químicamente, implementaron la idea de manera diferente, pero probaron los sustratos resultantes utilizando el mismo sistema de modelo biológico y llegaron a hallazgos similares. El equipo de Tübingen está desarrollando nuevos métodos de etiquetado para estudiar las células inmunitarias en el cáncer, mientras que el equipo de Münster se centra en las enfermedades inflamatorias, por lo que la investigación se complementa muy bien.

Al igual que todos los sustratos de etiquetas SNAP, la molécula recientemente desarrollada se basa en bencilguanina, a la que los científicos unieron el isótopo radiactivo flúor-18, que a su vez es ideal para imágenes PET. El objetivo era diseñar la síntesis en unos pocos pasos rápidos para obtener una señal lo más fuerte posible. Debido a que el flúor-18 tiene una vida media corta, su radioactividad se reduce a la mitad cada 110 minutos. Inicialmente, los científicos encontraron que el flúor-18 no se adhirió a la posición deseada en la molécula. La bencilguanina aparentemente era demasiado sensible para ser marcada directamente con flúor-18. Entonces, los investigadores primero etiquetaron una molécula pequeña que es insensible a las reacciones químicas necesarias (fluoroetilazida) y luego la unieron a la bencilguanina mediante una reacción de clic, que es muy rápida y selectiva.

Los científicos comprobaron primero si el sustrato sintetizado se mantenía estable en contacto con la sangre en el tubo de ensayo y luego examinaron cómo interactuaban las células con el sustrato en las primeras pruebas prácticas en cultivos celulares. Al hacerlo, compararon células tumorales humanas a las que habían incorporado genéticamente la enzima SNAP-tag con aquellas que no producían la enzima. Pudieron ver muy claramente que la radiactividad solo la absorbían las células que producían la enzima SNAP-tag. Por último, el equipo llevó a cabo estudios específicos en ratones individuales porque el comportamiento de una molécula en el complejo entorno biológico de un organismo vivo no se puede simular por completo en un cultivo celular o con órganos producidos artificialmente. Los científicos pudieron demostrar que una vez que el sustrato se inyecta en el torrente sanguíneo, se distribuye por el cuerpo muy rápidamente. Además, identificaron las vías por las que se excreta. Luego compararon cómo las células tumorales con y sin la enzima SNAP-tag reaccionaron al sustrato en los organismos vivos. Para ello, las células tumorales se inyectaron debajo de la piel de los ratones y se extrajeron de nuevo después del examen para confirmar los resultados con autorradiografía.