Mapeo del cerebro, celda por celda: La técnica para preservar el tejido permite a los investigadores crear mapas de circuitos neuronales con resolución unicelular

Ingenieros químicos y neurocientíficos del MIT han ideado una nueva forma de preservar el tejido biológico, permitiéndoles visualizar proteínas, DNA, y otras moléculas dentro de las células, y para mapear las conexiones entre las neuronas. Los investigadores demostraron que podían usar este método, conocido como ESCUDO, para rastrear las conexiones entre las neuronas en una parte del cerebro que ayuda a controlar el movimiento y otras neuronas en todo el cerebro.

Los investigadores del MIT utilizaron su nueva técnica de preservación de tejidos para etiquetar y obtener imágenes de las neuronas en una región del cerebro llamada globo pálido externo.. Las neuronas que expresan una proteína llamada parvalbúmina están marcadas en rojo., y las neuronas marcadas en azul expresan una proteína llamada GAD1.

Imagen: Parque Young-Gyun, changho sohn, --Ritchie Chen, y Kwanghun Chung

“Usando nuestra técnica, por primera vez, pudimos mapear la conectividad de estas neuronas en resolución de una sola célula,dice Kwanghun Chung, profesor asistente de ingeniería química y miembro del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas del MIT y del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria. “Podemos obtener toda esta multiescala, información multidimensional del mismo tejido de forma totalmente integrada porque con SHIELD podemos proteger toda esta información”.

Chung es el autor principal del artículo., que aparece en diciembre. 17 cuestión de que aparece en el número XX de la revista. Los autores principales del artículo son los posdoctorados del MIT Young-Gyun Park., Chang Ho hijo, y Ritchie Chen.

Chung es ahora líder de un equipo de investigadores de varias instituciones que recientemente recibió una Institutos Nacionales de Salud de subvención a utilizar esta técnica para producir mapas tridimensionales de todo el cerebro humano. “Vamos a trabajar con el grupo Mateo Frosch en el MGH, el grupo Van Wedeen en el MGH, el grupo Sebastian Seung en Princeton, y el grupo Laura Brattain en el MIT Lincoln Lab para generar el mapa más completo del cerebro aún," él dice.

preservar la información

El tejido cerebral es muy delicado y no se puede estudiar fácilmente a menos que se tomen medidas para preservar el tejido del daño.. Chung y otros investigadores han desarrollado previamente técnicas que les permiten preservar ciertos componentes moleculares del tejido cerebral para la investigación., incluyendo proteínas o ARN mensajero, que revela qué genes están activados.

sin embargo, Chung dice, “No existe un buen método que pueda conservarlo todo”.

Chung y sus colegas plantearon la hipótesis de que podrían preservar mejor el tejido usando moléculas llamadas poliepóxidos, moléculas orgánicas reactivas que a menudo se usan para producir pegamentos.. Probaron varios poliepóxidos disponibles comercialmente y descubrieron uno que tenía rasgos estructurales distintivos que lo hacían ideal para sus propósitos..

El epóxido que eligieron tiene una columna vertebral flexible y cinco ramificaciones, cada uno de los cuales puede unirse a ciertos aminoácidos (Las proteínas son los componentes básicos de la vida.), así como otras moléculas como el ADN y el ARN. La columna vertebral flexible permite que los epóxidos se unan a varios puntos a lo largo de las moléculas objetivo., y para formar enlaces cruzados con biomoléculas cercanas. Esto hace que las biomoléculas individuales y toda la estructura del tejido sean muy estables y resistentes al daño por calor., ácido, u otros agentes nocivos. SHIELD también protege las propiedades clave de las biomoléculas, como la fluorescencia de proteínas y la antigenicidad.

Para proteger muestras clínicas y tejidos cerebrales a gran escala, los investigadores combinaron SHIELD con CAMBIAR, otra técnica que desarrollaron para controlar la velocidad de la reacción química. Primero utilizan el búfer SWITCH-OFF, que detiene las reacciones químicas, para dar tiempo a los epóxidos para difundir a través de todo el tejido. Cuando los investigadores mueven la muestra a la condición de ENCENDIDO, los epóxidos comienzan a unirse a las moléculas cercanas.

Para acelerar el proceso de limpieza y etiquetado del tejido protegido con SHIELD, los investigadores también aplicaron un campo eléctrico que cambia aleatoriamente, que han demostrado previamente aumenta la tasa de transporte de las moléculas. en este papel, demostraron que todo el proceso, desde la conservación hasta el etiquetado del tejido de la biopsia, se podía realizar en solo cuatro horas.

“Descubrimos que este recubrimiento SHIELD mantiene las proteínas estables contra los factores estresantes severos,dice Chung. “Porque podemos conservar toda la información que queramos, y podemos extraerlo en múltiples etapas, podemos entender mejor las funciones de los componentes biológicos, incluidos los circuitos neuronales”.

Una vez que se preserva el tejido, los investigadores pueden etiquetar una variedad de diferentes objetivos, incluyendo proteínas y ARNm producidos por las células. También se pueden aplicar técnicas tales como MAPA, que Chung desarrollado en 2016, para expandir el tejido y la imagen que en diferentes escalas de tamaño.

en este papel, los investigadores trabajaron con el grupo de Byungkook Lim en la Universidad de California en San Diego utilizar SHIELD para trazar un circuito cerebral que comienza en el globo pálido externa (GPe), parte de los ganglios basales del cerebro. Esta región, que está involucrado en el control motor y otros comportamientos, es uno de los objetivos de la estimulación cerebral profunda, un tipo de estimulación eléctrica que a veces se usa para tratar la enfermedad de Parkinson. En el cerebro del ratón, Chung y sus colegas pudieron rastrear las conexiones entre las neuronas en el GPe y en otras partes del cerebro., y contar el número de supuestas conexiones sinápticas entre estas neuronas.

Mejores biopsias

La velocidad del procesamiento de tejidos SHIELD significa que también es prometedor para realizar, biopsias más informativas de muestras de tejido de pacientes, Chung dice. Los métodos actuales requieren la inclusión de muestras de tejido en parafina, cortándolos, y luego aplicar tinciones que pueden revelar anomalías de células y tejidos.

“La forma actual de hacer el diagnóstico de tejidos no ha cambiado en muchas décadas., y el proceso tarda dias o semanas,dice Chung. “Usando nuestra técnica, podemos procesar rápidamente muestras de biopsias intactas e inmunoetiquetarlas con, anticuerpos clínicamente relevantes, y luego la imagen de todo en alta resolución, en tres dimensiones. Y todo se puede hacer en cuatro horas”.

en este papel, los investigadores demostraron que podían etiquetar el tumor renal de ratón con un anticuerpo que se dirige a las células cancerosas en proliferación.

“La estabilización y preservación de la información biológica dentro de las muestras de tejido es esencial en los experimentos de microscopía óptica,” dice Liqun Luo, profesor de biología en la Universidad de Stanford, quien no estuvo involucrado en la investigación. “El logro de SHIELD no es un gran avance en una sola categoría, sino más bien mejoras marcadas en todos los ámbitos, en la conservación de proteínas, transcripciones, y estructura del tejido, ya que las muestras se procesan a través de las duras técnicas prescritas por los mejores protocolos de etiquetado e imagen de la actualidad”.

El equipo del MIT espera que esta tecnología esté ampliamente disponible y ya la ha distribuido a más de 50 laboratorios de todo el mundo.

Fuente: http://news.mit.edu, por Anne Trafton