Los investigadores exploran células individuales utilizando técnicas avanzadas de imágenes de rayos X

Cada planta, animal y persona es un microcosmos rico en células diminutas y especializadas. Estas células son mundos en sí mismas, cada una con sus propias partes y procesos únicos que escapan al ojo humano.

Ver el funcionamiento interno de estos bloques de construcción microscópicos con una resolución nanométrica sin dañar los delicados orgánulos es un desafío, pero científicos de diversas disciplinas del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han encontrado una forma eficaz de obtener imágenes de ellos. Una sola célula utilizando múltiples técnicas.

Se ha publicado un proceso fascinante para capturar estas imágenes. Biología de la comunicación.

Ser capaz de comprender las estructuras internas de las células, la forma en que las sustancias químicas y las proteínas interactúan dentro de ellas y cómo esas interacciones dictan ciertos procesos biológicos con una resolución nanométrica podría tener implicaciones importantes en la medicina, la agricultura y otros campos importantes. Este trabajo está dando lugar a mejores técnicas de bioimagen y nuevas herramientas para optimizar la bioimagen.

«Estudiar las células humanas y sus orgánulos internos es apasionante», afirmó Kun Liu, biólogo estructural del Brookhaven Lab, «pero hay muchas oportunidades de beneficiarse de nuestro enfoque multimodal que combina la tomografía computarizada de rayos X duros y las imágenes de fluorescencia de rayos X».

«Podemos estudiar hongos patógenos o bacterias beneficiosas. Podemos ver no sólo la estructura de estos microorganismos, sino también los procesos químicos que ocurren cuando las células interactúan de diferentes maneras».

Extrayendo uno de los pilares de la vida

Antes de que los investigadores puedan comenzar a obtener imágenes, uno de sus mayores desafíos es preparar la muestra en sí. El equipo decidió utilizar una línea celular de la línea 293 del riñón embrionario humano (HEK). Se sabe que estas células crecen fácilmente, pero muchas mediciones de rayos X son difíciles de realizar. Aunque son muy pequeñas, las células son bastante susceptibles al daño inducido por los rayos X.

Los científicos pasaron por un proceso cuidadoso de varios pasos para hacer que el modelo fuera más sólido. Utilizaron paraformaldehído para preservar químicamente la estructura celular, luego congelaron instantáneamente las muestras del robot sumergiéndolas en etano líquido, transfiriéndolas a nitrógeno líquido y finalmente secándolas para eliminar el agua pero preservando la estructura celular.

Una vez completado este proceso, los investigadores colocaron las células liofilizadas bajo un microscopio y las etiquetaron para obtener imágenes específicas.

Con un diámetro de aproximadamente 12 a 15 micrones (un cabello humano promedio tiene aproximadamente 150 micrones de espesor), preparar una muestra para realizar mediciones no es fácil, especialmente para mediciones en diferentes haces. El equipo necesitaba garantizar que la estructura celular pudiera sobrevivir a múltiples mediciones con rayos X de alta energía sin daños significativos, y que la célula pudiera mantenerse en su lugar de manera confiable para múltiples mediciones.

Para superar estos obstáculos, los científicos crearon soportes de muestras estandarizados para su uso en múltiples instrumentos e implementaron microscopios ópticos para localizar y obtener imágenes rápidamente de una célula y minimizar la exposición a largo plazo a los rayos X que podrían dañarla.

Mediciones multimodales

El equipo utilizó dos técnicas de imágenes que se encuentran en la Fuente Nacional de Luz de Sincrotrón II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven: tomografía computarizada de rayos X (XCT) y microscopía de fluorescencia de rayos X (XRF).

Los investigadores recopilaron datos XCT, que utilizan rayos X para informar a los científicos sobre la estructura física de una célula, en la línea de luz de imágenes de rayos X de campo completo (FXI). La tomografía utiliza rayos X para mostrar una sección transversal de una muestra sólida. Un ejemplo familiar de esto es la tomografía computarizada, que los médicos utilizan para obtener imágenes de secciones transversales de cualquier parte del cuerpo.

Los investigadores recopilaron datos de microscopía XRF, que proporcionan más pistas sobre la distribución de elementos químicos dentro de la célula en la línea de luz de espectroscopía de rayos X (SRX) de resolución submicrónica. En esta técnica, los investigadores dirigen rayos X de alta energía a una muestra, excitando el material y provocando que emita fluorescencia de rayos X.

La emisión de rayos X tiene su propia firma única, que les dice a los científicos exactamente de qué elementos está compuesta la muestra y cómo se distribuyen para cumplir sus funciones biológicas.

«Estábamos motivados para combinar imágenes XCT y XRF basadas en la información única y complementaria que cada una proporciona», dijo el científico principal de líneas de luz de FXI, Xianghui Xiao. «La fluorescencia nos brinda mucha información útil sobre los oligoelementos dentro de las células y cómo se distribuyen.

«Ésta es una información muy importante para los biólogos. Obtener un mapa de fluorescencia de alta resolución de muchas células lleva mucho tiempo, aunque para una sola imagen 2D puede llevar algunas horas».

En este caso resulta útil obtener una imagen 3D de la célula mediante XCT. Esta información ayuda a guiar las mediciones de fluorescencia a ubicaciones de interés específicas. Esto ahorra tiempo a los científicos, aumenta el rendimiento y garantiza que no sea necesario exponer la muestra a rayos X durante largos períodos de tiempo, lo que reduce el daño potencial a la frágil célula.

«Este enfoque correlacional proporciona información útil y complementaria que puede promover muchas aplicaciones prácticas», dijo Yang Yang, científico de líneas de luz en SRX. «Algo como la administración de fármacos puede identificar subconjuntos específicos de orgánulos y luego rastrear factores específicos a medida que se redistribuyen durante el tratamiento, lo que nos da una imagen más clara de cómo funcionan estos fármacos a nivel celular».

Aunque estos avances en imágenes han proporcionado una mejor visión del mundo celular, todavía quedan desafíos por superar y formas de mejorar aún más las imágenes. Como parte del proyecto NSLS-II Experimental Tools III, un plan para construir nuevas líneas de luz para proporcionar nuevas capacidades a la comunidad de usuarios, Yang es el líder científico del equipo que trabaja en la próxima línea de luz de Tomografía Celular Cuantitativa (QCT). Dedicado a la imagen biológica.

QCT es una línea de luz de tomografía de rayos X suaves de campo completo para obtener imágenes de células congeladas con resolución a nanoescala sin necesidad de fijación química. Esta línea de luz de tomografía de rayos X crio-suave complementará los métodos actuales, proporcionando mayores detalles sobre la estructura y función celular.

Investigaciones futuras

Si bien es fascinante observar las células que forman los sistemas del cuerpo humano, ser capaz de comprender los patógenos que atacan y alteran esos sistemas brinda a los científicos una ventaja en la lucha contra las enfermedades infecciosas.

«Esta tecnología nos permite estudiar la interacción entre un patógeno y su huésped», explicó Liu. «Podemos ver un patógeno y una célula sana antes de la infección y luego obtener imágenes durante y después de la infección. Observamos cambios estructurales tanto en el patógeno como en el huésped y obtenemos una mejor comprensión del proceso.

«También podemos estudiar las interacciones entre bacterias beneficiosas en el microbioma humano u hongos que tienen una relación simbiótica con las plantas».

Actualmente, Liu está trabajando con científicos de otros laboratorios y universidades nacionales para el Programa de Investigación Biológica y Ambiental del DOE para estudiar las interacciones moleculares entre el sorgo y Colletotrichum subliola, el hongo patógeno que causa la antracnosis, que daña las hojas de las plantas.

El sorgo es un importante cultivo bioenergético del DOE y el quinto cultivo de cereales más importante del mundo, por lo que la humanidad tiene mucho que ganar si comprende las estrategias de este hongo devastador y cómo funcionan las defensas del sorgo a nivel celular y molecular.

Ser capaz de ver a esta escala puede dar a los científicos una idea de las guerras que los patógenos están librando en los cultivos, el medio ambiente y los cuerpos humanos. Esta información puede ayudar a desarrollar las herramientas adecuadas para luchar contra estos atacantes o reparar sistemas que no funcionan de manera óptima en un nivel básico. El primer paso es poder ver un mundo que el ojo humano no puede ver, y los avances en la ciencia sincrotrón han demostrado ser una herramienta poderosa para revelarlo.