Los nuevos métodos de microscopía de expansión magnifican el impacto de la investigación

Vistas sin precedentes del interior de las células y otras estructuras a nanoescala ahora son posibles gracias a las innovaciones en microscopía de expansión. Los avances podrían ayudar a proporcionar una visión futura de la neurociencia, la patología y muchos otros campos biológicos y médicos.

En el papel"Magnify es una estrategia de anclaje molecular universal para la microscopía de expansión", publicado en la revista Nature Biotechnology, colaboradores de la Universidad Carnegie Mellon, la Universidad de Pittsburgh y la Universidad de Brown describen nuevos protocolos para el denominado Magnify.

"Magnify puede ser una herramienta potente y accesible para la comunidad biotecnológica", dijo Yongxin (Leon) Zhao, profesor asociado de ciencias biológicas de desarrollo profesional de la familia Eberly.

El laboratorio de biofotónica de Zhao es líder en el campo de permitir imágenes de súper resolución de muestras biológicas a través de muestras que se expanden físicamente en un proceso conocido como microscopía de expansión. A través del proceso, las muestras se incrustan en un hidrogel hinchable que se expande homogéneamente para aumentar la distancia entre las moléculas, lo que permite observarlas con mayor resolución. Esto permite que las estructuras biológicas a nanoescala que anteriormente solo se podían ver utilizando costosas técnicas de imágenes de alta resolución se vean con herramientas de microscopía estándar.

Magnify es una variante de microscopía de expansión que permite a los investigadores usar una nueva fórmula de hidrogel, inventada por el equipo de Zhao, que retiene un espectro de biomoléculas, ofrece una aplicación más amplia a una variedad de tejidos y aumenta la tasa de expansión hasta 11 veces linealmente o ~1.300 pliegues del volumen original.

"Superamos algunos de los desafíos de larga data de la microscopía de expansión", dijo Zhao. "Uno de los principales puntos de venta de Magnify es la estrategia universal para mantener las biomoléculas del tejido, incluidas las proteínas, los ácidos nucleicos y los carbohidratos, dentro de la muestra expandida".

Zhao dijo que mantener intactos los diferentes componentes biológicos es importante porque los protocolos anteriores requerían eliminar muchas biomoléculas que mantenían unidos los tejidos. Pero estas moléculas podrían contener información valiosa para los investigadores.

"En el pasado, para hacer que las células se expandieran realmente, era necesario usar enzimas para digerir las proteínas, así que al final tenías un gel vacío con etiquetas que indican la ubicación de la proteína de interés", dijo. Con el nuevo método, las moléculas se mantienen intactas y se pueden etiquetar múltiples tipos de biomoléculas en una sola muestra.

"Antes, era como tener preguntas de opción única. Si desea etiquetar proteínas, ese sería el protocolo de la versión uno. Si desea etiquetar núcleos, entonces sería una versión diferente", dijo Zhao. "Si deseaba obtener imágenes simultáneas, era difícil. Ahora, con Magnify, puede seleccionar varios elementos para etiquetarlos, como proteínas, lípidos y carbohidratos, y obtener imágenes de ellos juntos".

Los investigadores de laboratorio Aleksandra Klimas, investigadora postdoctoral y Brendan Gallagher, estudiante de doctorado, fueron los primeros coautores del artículo.

"Esta es una forma accesible de obtener imágenes de especímenes en alta resolución", dijo Klimas. "Tradicionalmente, se necesitan equipos costosos y reactivos y capacitación específicos. Sin embargo, este método es ampliamente aplicable a muchos tipos de preparaciones de muestras y se puede ver con microscopios estándar que tendría en un laboratorio de biología".

Gallagher, que tiene experiencia en neurociencia, dijo que su objetivo era hacer que los protocolos fueran lo más compatibles posible para los investigadores que podrían beneficiarse de la adopción de Magnify como parte de sus kits de herramientas.

"Uno de los conceptos clave que tratamos de tener en cuenta fue reunirnos con los investigadores donde están y hacer que cambien la menor cantidad posible de cosas en sus protocolos", dijo Gallagher. "Funciona con diferentes tipos de tejido, métodos de fijación e incluso tejido que se ha conservado y almacenado. Es muy flexible, ya que no es necesario que rediseñes completamente los experimentos con Magnify en mente; funcionará con lo que ya tienes". ."

Para investigadores como Simon Watkins, fundador y director del Centro de Imagenología Biológica de la Universidad de Pittsburgh y el Instituto del Cáncer de Pittsburgh, el hecho de que el nuevo protocolo sea compatible con una amplia gama de tipos de tejido, incluidas las secciones de tejido conservado, es importante. Por ejemplo, la mayoría de los métodos de microscopía de expansión están optimizados para el tejido cerebral. Por el contrario, Magnify se probó en muestras de varios órganos humanos y los tumores correspondientes, incluidos los de mama, cerebro y colon.

"Digamos que tiene un tejido con componentes densos y no densos, esto evita los tejidos que antes no se expandirían isométricamente", dijo Watkins. "Leon ha estado trabajando duro en esto para que este protocolo funcione con tejidos que han sido archivados".

Xi (Charlie) Ren, profesor asistente de ingeniería biomédica en Carnegie Mellon, estudia el tejido pulmonar y cómo modelar su morfogénesis y patogénesis. Parte de su investigación consiste en investigar los cilios móviles que funcionan para eliminar la mucosidad en las vías respiratorias humanas. Con 200 nanómetros de diámetro y solo unos pocos micrómetros de longitud, las estructuras son demasiado pequeñas para verlas sin una tecnología que requiere mucho tiempo, como la microscopía electrónica. Trabajando en colaboración con el laboratorio de Zhao, el equipo de Ren desarrolló y entregó modelos organoides de pulmón con defectos específicos en la ultraestructura y función de los cilios para validar la capacidad de Magnify para visualizar la patología de los cilios clínicamente relevante.

"Con las últimas técnicas de Magnify, podemos expandir esos tejidos pulmonares y comenzar a ver una ultraestructura de los cilios móviles incluso con un microscopio normal, y esto acelerará las investigaciones tanto básicas como clínicas", dijo.

Los investigadores también pudieron ver defectos en los cilios en células pulmonares específicas de pacientes que se sabe que tienen mutaciones genéticas.

"La comunidad de ingeniería de tejidos pulmonares siempre necesita una mejor manera de caracterizar el sistema de tejidos con el que trabajamos", dijo Ren. Agregó que este trabajo es un primer paso importante y espera que el trabajo colaborativo con el laboratorio de Zhao se perfeccione y aplique a las muestras de patología que se encuentran en los bancos de tejidos.

Finalmente, el hidrogel utilizado en Magnify y desarrollado en el laboratorio de Zhao es más robusto que su antecesor, que era muy frágil y provocaba roturas durante el proceso.

"Esperamos desarrollar esta tecnología para que sea más accesible a la comunidad", dijo. "Esto puede ir en diferentes direcciones. Hay mucho interés en usar este tipo de tecnología de expansión de tejido para la ciencia básica".

Alison Barth, profesora Maxwell H. y Gloria C. Connan de Ciencias de la Vida en Carnegie Mellon, estudia la conectividad sináptica durante el aprendizaje. Dijo que las amplias aplicaciones proporcionadas por los nuevos métodos serán de gran ayuda para los investigadores.

"El cerebro es un gran lugar para aprovechar estas técnicas de súper resolución", dijo Barth, quien colabora con Zhao Lab en varios estudios. "Los métodos de microscopía serán beneficiosos para el análisis y fenotipado sináptico en diferentes condiciones cerebrales. Uno de los principales avances en este documento es la capacidad del método para trabajar en muchos tipos diferentes de muestras de tejido".

Otros autores del estudio incluyen a Piyumi Wijesekara, Emma F. DiBernardo, Zhangyu Cheng de Carnegie Mellon; Sinda Fekir y Christopher I. Moore de la Universidad de Brown; Donna B. Stolz de Pitt; Franca Cambi de Pitt y la Administración de Veteranos; y Steven L Brody y Amjad Horani de la Universidad de Washington.

Este trabajo fue apoyado por Carnegie Mellon, Kaufman Foundation y DSF Charitable Foundation, Departamento de Defensa de EE. UU. (VR190139), Institutos Nacionales de Salud (DP2 OD025926-01 y NIH RF1 MH114103), Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550 -19-1-13022629), NeuroNex (GR5260228.1001) y la Universidad de Brown.

- Este comunicado de prensa fue proporcionado por la Universidad Carnegie Mellon