Técnica Avanzada de Marcado Celular Basada en Microscopía para Imagen de Cuerpo Completo Integral

Procesos y estructuras dentro del cuerpo que normalmente están ocultos a la vista pueden hacerse visibles mediante imágenes médicas. Los científicos usan imágenes para investigar las funciones complejas de células y órganos y buscar 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 funcionan. Para poder representar procesos específicos en el cuerpo, los investigadores están desarrollando nuevas técnicas para marcar 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 marcado celular utilizada actualmente en microscopía —la llamada tecnología SNAP-tag— para su uso en imágenes de cuerpo completo con tomografía por emisión de positrones (PET).

Este método marca células en dos pasos que funcionan para tipos de células completamente diferentes, como tumores y células inflamatorias. Primero, las células se modifican genéticamente para producir en su superficie una enzima SNAP-tag única para las células objetivo. Luego, la enzima se pone en contacto con un sustrato SNAP-tag adecuado. El sustrato está marcado con un emisor de señal y estructurado químicamente para que sea reconocido y escindido por la enzima, permitiendo que el emisor de señal se transfiera a la enzima. En el proceso, la enzima se modifica de modo que ya no está activa y, como resultado, el emisor de señal permanece firmemente acoplado a ella. Según los investigadores, la enzima SNAP-tag se marca a sí misma a través de su actividad biológica —esto ocurre muy rápido y sin perturbar los procesos naturales en el organismo.

En microscopía, se usan colorantes fluorescentes para marcar células, pero en su mayoría no son adecuados para imágenes de cuerpo completo porque sus señales se dispersan por capas de tejido más gruesas, con el resultado de que ya no pueden medirse. Para resolver este problema, los científicos sintetizaron un nuevo sustrato SNAP-tag usando el emisor de señal radiactivo 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 perspectiva de visualizar células codificadas genéticamente en el cuerpo con diferentes modalidades de imagen y en diferentes etapas temporales —los investigadores lo llaman imagen multi-escala. Aunque las señales radiactivas del flúor-18 permanecen estables solo por un corto tiempo, el segundo paso de marcado puede repetirse, por lo que las mismas células pueden visualizarse una y otra vez durante días y semanas.

El alto nivel de detalle proporcionado por la microscopía hace posible estudiar cómo las células individuales se comunican entre sí. La vista panorámica proporcionada por la imagen de cuerpo completo permite a los científicos evaluar cómo funcionan estas células como parte de sistemas de órganos completos. El tiempo puede revelar qué papel juegan los tipos de células individuales en la inflamación, por ejemplo, a medida que 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 puede usarse para visualizar células que se mueven dentro del organismo —en particular, células del sistema inmunitario. Si el enfoque sigue demostrando éxito, la técnica puede volverse importante para la investigación futura en inmunoterapias en las que las propias células inmunitarias del cuerpo se modifican genéticamente en el laboratorio para combatir una enfermedad específica. Tales terapias ya se usan para el tratamiento del cáncer y tienen el potencial de ayudar a tratar enfermedades inflamatorias también. La imagen podría ayudar a desarrollar y mejorar tales 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 tuvieron la misma idea fundamental, un sustrato SNAP-tag marcado con flúor-18. Químicamente hablando, implementaron la idea de manera diferente, pero probaron los sustratos resultantes usando el mismo sistema modelo biológico y llegaron a hallazgos similares. El equipo de Tübingen está desarrollando nuevos métodos de marcado para estudiar células inmunitarias en el cáncer, mientras que el equipo de Münster se enfoca en enfermedades inflamatorias, por lo que la investigación se complementa muy bien.

Como todos los sustratos SNAP-tag, la molécula recién desarrollada se basa en benzilguanina, a la cual los científicos adjuntaron el isótopo radiactivo flúor-18, que a su vez es ideal para imágenes PET. El objetivo era diseñar la síntesis en pocos pasos rápidos para obtener la señal más fuerte posible. Debido a que el flúor-18 tiene una vida media corta, su radiactividad se reduce a la mitad después de cada 110 minutos. Inicialmente, los científicos encontraron que el flúor-18 no se unía a la posición deseada en la molécula. La benzilguanina era aparentemente demasiado sensible para ser marcada directamente con flúor-18. Así que los investigadores primero marcaron una molécula pequeña que es insensible a las reacciones químicas necesarias —fluoroetilazida— y luego la unieron a la benzilguanina usando una reacción clic, que es muy rápida y selectiva.

Los científicos primero verificaron si el sustrato sintetizado permanecía estable cuando estaba en contacto con sangre en el tubo de ensayo y luego examinaron cómo las células interactuaban con el sustrato en las primeras pruebas prácticas en cultivos celulares. Al hacerlo, compararon células tumorales humanas en las que habían incorporado genéticamente la enzima SNAP-tag con aquellas que no producían la enzima. Pudieron ver muy claramente que la radiactividad solo fue absorbida por las células que producían la enzima SNAP-tag. Finalmente, el equipo realizó estudios dirigidos en ratones individuales porque cómo se comporta una molécula en el complejo entorno biológico de un organismo vivo no puede simularse completamente en cultivo celular o con órganos producidos artificialmente. Los científicos pudieron mostrar que una vez que el sustrato se inyecta en el torrente sanguíneo, se distribuye por el cuerpo muy rápidamente. Además, identificaron las vías a través de las cuales se excreta. Luego compararon cómo reaccionaron las células tumorales con y sin la enzima SNAP-tag al sustrato en organismos vivos. Para este propósito, las células tumorales se inyectaron bajo la piel de ratones y se removieron nuevamente después del examen para confirmar los resultados con autorradiografía.