Se você é um pesquisador que deseja ver como apenas algumas células de um organismo estão se comportando, não é uma tarefa simples. O corpo humano contém aproximadamente 37 trilhões de células; a mosca-das-frutas voando em torno das bananas maduras em seu balcão pode ter 50, 000 células. Mesmo Caenorhabditis elegans, um minúsculo verme comumente usado em pesquisas biológicas, pode ter até 3, 000 células. Então, como você monitora alguns pontos microscópicos em meio a tudo isso?

Cientistas que trabalham no laboratório Caltech de Mikhail G. Shapiro, professor de engenharia química e Investigador do Heritage Medical Research Institute, encontraram uma maneira.

A nova técnica faz uso dos chamados genes repórteres acústicos, do qual Shapiro foi um desenvolvedor pioneiro. Para entender os genes do repórter acústico, primeiro saiba que os genes repórter são um fragmento especializado de DNA que os pesquisadores podem inserir no genoma de um organismo para ajudá-los a entender o que ele está fazendo. Historicamente, genes repórter codificam proteínas fluorescentes. Por exemplo, se um pesquisador insere um desses genes repórter ao lado de um gene que deseja estudar - digamos, o gene responsável pelo desenvolvimento dos neurônios - a ativação desses genes dos neurônios também produzirá moléculas de proteína fluorescentes. Quando o tipo certo de luz brilha sobre essas células, eles vão acender, mais ou menos como um marcador de texto pode marcar uma passagem específica em um livro.

No entanto, esses genes repórter fluorescentes têm uma grande desvantagem:a luz não penetra muito nos tecidos vivos.

Então, Shapiro desenvolveu genes repórter que usam som em vez de luz. Esses genes, quando inserido no genoma de uma célula, fazem com que produza estruturas protéicas microscópicas ocas conhecidas como vesículas de gás. Essas vesículas são normalmente encontradas em certas espécies de bactérias que as usam para se manter à tona na água, mas também têm a propriedade útil de "zumbir" quando atingidos por ondas de ultrassom.

A ideia é que, quando uma célula que produz essas vesículas é fotografada com ultrassom, ele vai enviar um sinal acústico anunciando sua presença, permitindo que os pesquisadores vejam onde está e o que está fazendo. Esta técnica foi usada para mostrar a atividade de enzimas em células em trabalhos anteriores do laboratório de Shapiro.

Em seu último artigo, a equipe de pesquisa descreve como aumentou a sensibilidade dessa técnica tanto que agora pode criar imagens de uma única célula, localizado dentro do tecido corporal, que carrega um gene repórter acústico.

"Em comparação com o trabalho anterior em vesículas de gás, este artigo nos permite ver quantidades muito menores dessas vesículas de gás, "diz Daniel Sawyer (PhD '21), autor principal e ex-aluno de doutorado em bioengenharia no laboratório de Shapiro. "É como passar de um satélite que pode ver as luzes de uma pequena cidade para outro que pode ver as luzes de um único poste."

Suas melhorias representam um aumento de mais de 1000 vezes na sensibilidade em relação à técnica anterior que eles usaram para imagens de células que carregam os genes repórter acústico. A diferença está no ultrassom que eles usam e como as vesículas de gás respondem a ele.

Considerando que a técnica de imagem anterior dependia das vesículas tocando como um sino que foi atingido, a nova técnica usa ultrassom mais forte que "estala" as vesículas como um balão.

“As vesículas produzem um sinal muito forte naquele momento, - diz Shapiro. - Então as vesículas se rompem e param de fazer sinal. Estamos procurando o pequeno pontinho. "

Esse sinal é tão claro que pode ser facilmente detectado pelos pesquisadores, mesmo em meio a todo o ruído de fundo produzido pelo ultrassom que penetra no tecido. Shapiro diz que um trabalho recente em cepas de engenharia de bactérias injetáveis ​​que atacam as células cancerosas, ou bactéria "homing tumoral", cria a necessidade de maneiras melhores de rastrear essas células para ver onde elas pousam no corpo. Os pesquisadores mostraram que, quando as bactérias também foram projetadas para transportar o gene da vesícula de gás, era possível rastrear células bacterianas individuais conforme elas entravam e viajavam pelo fígado após serem injetadas na corrente sanguínea.

Sawyer diz que este nível de sensibilidade é necessário se os pesquisadores quiserem usar o ultrassom para estudar a composição do microbioma intestinal, que, quando interrompido, pode influenciar condições como a doença de Alzheimer e o autismo.

"Existem tantas espécies de bactérias em seu intestino, e alguns são tão raros que você precisa de algo sensível o suficiente para ver apenas alguns deles no fundo do corpo, " ele diz.

O estalo das vesículas dentro das células prejudica as células? Não, Na verdade não.

"A resposta curta é não, e a resposta longa é não na maioria dos casos práticos, "Diz Sawyer." Existem alguns casos em que células bacterianas únicas que são muito pequenas e têm uma grande quantidade dessas vesículas de gás são prejudicadas, mas não faz muita diferença para a população bacteriana se algumas delas se tornam menos viáveis. E em células de mamíferos, não vimos nenhum efeito negativo. "

Shapiro e Sawyer estão buscando dois caminhos para o avanço de suas pesquisas. Um caminho será construído com base no que os pesquisadores já desenvolveram para criar técnicas de imagem mais avançadas. Isso envolverá a engenharia e o teste de novos tipos de vesículas com propriedades diferentes, como vesículas que estouram mais facilmente, ou vesículas que são mais robustas, ou vesículas menores que podem caber em lugares que as vesículas maiores não podem. O outro caminho é encontrar aplicações práticas para a tecnologia que desenvolveram, Sawyer diz.

"No campo da microscopia óptica, houve essa coevolução de sondas ópticas e métodos de microscopia com técnicas como microscopia de dois fótons e microscopia de luz [ambos são tipos de microscopia fluorescente], "Shapiro diz." O artigo de Danny é parte do desenvolvimento do análogo de ultrassom dessas técnicas de imagem. "

Detalhes do processo foram publicados em Métodos da Natureza .