Cuando hay que resolver un problema molesto, las personas a veces ofrecen consejos metafóricos como “estirar la mente” o participar en un pensamiento “flexible”, pero al enfrentar un problema que enfrentan muchos laboratorios de investigación biomédica, un equipo de investigadores del MIT ha diseñado una solución que Es mucho más literal.

Para facilitar la obtención de imágenes de las células y moléculas en el cerebro y otros tejidos grandes y al mismo tiempo hacer que las muestras sean lo suficientemente resistentes para años de manipulación en el laboratorio, han creado un proceso químico que hace que el tejido se estire, se comprima y sea prácticamente indestructible.

La tecnología “ELAST”, descrita en un nuevo artículo en Nature Methods , proporciona a los científicos una forma muy rápida de etiquetar fluorescentemente células, proteínas, material genético y otras moléculas en cerebros, riñones, pulmones, corazones y otros órganos. Esto se debe a que cuando tales tejidos pueden estirarse o aplastarse, las sondas de etiquetado pueden infundirlos mucho más rápidamente. Varias demostraciones en el documento muestran que incluso después de expansiones o compresiones repetidas para acelerar el etiquetado, los tejidos vuelven a su forma original sin modificaciones, excepto por las nuevas etiquetas.

Kwanghun Chung

El laboratorio de Kwanghun Chung, profesor asociado de ingeniería química y miembro del Instituto de Ingeniería Médica y Ciencia del MIT, y el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria, desarrollaron ELAST en medio de un proyecto de cinco años, financiado por los Institutos Nacionales de Salud. , para hacer el mapa más completo hasta ahora de todo el cerebro humano. Eso requiere poder etiquetar y escanear cada detalle celular y molecular fino en las losas más gruesas posibles para preservar la estructura 3D. También significa que el laboratorio debe poder mantener las muestras perfectamente intactas durante años, incluso cuando deben realizar numerosas rondas individuales de etiquetado de manera rápida y eficiente. Cada ronda de etiquetado, tal vez un tipo particular de neurona un día, o una proteína clave al siguiente, les dirá algo nuevo sobre cómo está estructurado el cerebro y cómo funciona.

“Cuando las personas donan su cerebro, es como si estuvieran donando una biblioteca”, dice Chung. “Cada uno contiene una biblioteca de información valiosa. No puede acceder a todos los libros de la biblioteca al mismo tiempo. Tenemos que poder acceder repetidamente a la biblioteca sin dañarla. Cada uno de estos cerebros es un recurso extremadamente precioso “.

El ex postdoc de laboratorio Taeyun Ku, ahora profesor asistente en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, es el autor principal del estudio. Él dice que la dificultad particular de trabajar con tejidos humanos, que por supuesto son mucho más grandes que los de animales de laboratorio como los ratones, lo inspiró a adoptar este nuevo enfoque de ingeniería. Una noche, en el laboratorio, cerca de la Navidad de 2017, estaba reflexionando sobre cómo transformar el tejido para un etiquetado más rápido y comenzó a jugar con la compresión repetida de un gel elástico.

“Cambiamos nuestra forma de pensar: el tejido biológico no necesita ser muy biológico”, dice Ku. “Si nuestro objetivo no es crear imágenes de eventos vivos sino imágenes de apariencias, podemos cambiar el tipo de material del tejido mientras mantenemos las apariencias. Nuestro trabajo muestra cómo la ingeniería del cerebro de nivel superior nos permite ver mejor qué hay dentro del cerebro “.

Webster Guan,

Los esfuerzos del equipo para diseñar ELAST se redujeron a encontrar la formulación correcta de un químico similar a un gel llamado poliacrilamida. En el pasado, Chung ha utilizado la sustancia en una formulación diferente con productos químicos de reticulación para fortalecer los tejidos pero bastante frágil, dice el coautor del estudio Webster Guan, un estudiante graduado de ingeniería química. Cuando esa formulación infundía los tejidos, las células y las moléculas se unían directamente a una malla en forma de rejilla.

En la nueva formulación, el equipo utilizó una alta concentración de acrilamida con mucho menos agente de reticulación e iniciador. El resultado fue un enredo de largas cadenas de polímeros con enlaces que pueden deslizarse, dando al gel una integridad estructural pero con mucha más flexibilidad. Además, en lugar de unirse a las cadenas, dice Guan, las células y moléculas del tejido simplemente se enredan dentro de él, lo que aumenta aún más la capacidad de los tejidos con infusión de acrilamida para resistir el estiramiento o la compresión sin que nada se rompa o se desplace permanentemente en el interior. proceso.

En el estudio, el equipo informa que estira los tejidos cerebrales humanos o de ratón hasta el doble de su ancho y longitud simultáneamente, o que comprime su grosor 10 veces prácticamente sin distorsión después de volver a su tamaño normal.

“Estos resultados demuestran que ELAST permite la transformación de la forma del tejido totalmente reversible mientras preserva la información estructural y molecular en el tejido”, escribieron.

La integración completa de la poliacrilamida en una gran cantidad de tejido para lograr la elasticidad puede llevar hasta 21 días, informan, pero a partir de ese momento, cualquier paso de etiquetado individual, como etiquetar un tipo particular de célula para determinar su abundancia, o un La proteína específica para ver dónde se expresa puede proceder mucho más rápidamente que con los métodos anteriores.

En un caso, al comprimir repetidamente una sección transversal de 5 milímetros de grosor de un cerebro humano, el equipo solo necesitó 24 horas para etiquetarlo completamente. A modo de comparación, en 2013, cuando Chung y sus colegas presentaron “CLARITY”, un método para hacer que el tejido cerebral sea transparente y fijarlo con un gel de acrilamida, necesitaron 24 horas para etiquetar una rebanada de solo una décima de grosor. Debido a que el tiempo de etiquetado se estima elevando al cuadrado la profundidad que deben penetrar las sondas, los cálculos sugieren que el etiquetado con ELAST se realiza 100 veces más rápido que con CLARITY.

Aunque el laboratorio de Chung se centra principalmente en los cerebros, la aplicabilidad a otros órganos puede ayudar en otros esfuerzos de mapeo celular, dice Chung. Agrega que incluso si etiquetar el tejido no es un objetivo en absoluto, tener una nueva forma fácil de hacer un gel duradero y elástico podría tener otras aplicaciones, por ejemplo, en la creación de robótica suave. Los recursos para aprender más sobre ELAST están disponibles en el sitio web de Chung .

Además de Ku, Guan y Chung, los otros autores del artículo son Nicholas Evans, Chang Ho Sohn, Alexandre Albanese, Joon-Goon Kim y Matthew Frosch, profesor del Hospital General de Massachusetts y la Facultad de Medicina de Harvard.

El financiamiento para el trabajo provino de fuentes que incluyen la Fundación JPB, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Cultural NCSOFT, el Programa de Becarios Searle, el premio Packard en Ciencia e Ingeniería, el Premio al Investigador Joven NARSAD y el Premio de Tecnología de la Fundación McKnight.