En el campo de la investigación científica, los detalles importan. Las minucias de procesos y estructuras se explican con especificidad, los puntos de datos se informan con el decimal más preciso y ver para creer.
Jiajie Diao, PhD, profesor asociado en el Departamento de Biología del Cáncer en la Facultad de Medicina de la UC, publicó recientemente un artículo que detalla el progreso en la revista Materiales sanitarios avanzados.
Nueva sonda
Parte de la investigación de Diao se centra en una pequeña parte dentro de las células, llamada lisosoma, que está involucrada en los procesos celulares. Un lisosoma es un «orgánulo» o una estructura especializada que realiza varios trabajos dentro de las células. De la misma manera, los órganos, como el corazón, el hígado, el estómago y los riñones, cumplen funciones específicas para mantener vivo un organismo, los orgánulos cumplen funciones específicas para mantener viva una célula. La investigación de Diao se centra en los lisosomas que actúan como el «centro de reciclaje» dentro de las células, ayudando a la célula a reutilizar bloques de construcción rotos o que funcionan mal para diferentes propósitos.
Para realizar su trabajo, los lisosomas deben estar en un ambiente ácido y, en general, tener un valor de pH bajo. Sin embargo, los niveles anormales de pH dentro de los lisosomas se han asociado con disfunciones celulares que pueden provocar enfermedades como el cáncer y la enfermedad de Alzheimer.
Para estudiar cómo los niveles de pH pueden cambiar y afectar los lisosomas y las células, Diao y su equipo colaboraron con Dojindo Laboratories y Yujie Sun, PhD, profesor asociado en el Departamento de Química de la UC, para desarrollar una nueva sonda que se adhiere a los lisosomas y es especialmente diseñado para proporcionar más detalles a los investigadores. Diao dijo que la sonda «EC Green» resultante es la próxima generación de sondas de lisosomas y presenta varias mejoras con respecto a los estándares actuales de la industria.
Como sugiere el nombre, la sonda es verde y adquiere un tono verde más brillante cuando el entorno celular se vuelve más ácido. Esto brinda a los investigadores más información que las sondas actuales, que no cambian de color, y puede ayudar a identificar las correlaciones entre los cambios en la acidez y las células que se vuelven cancerosas.
Diao dijo que esta sonda única permite el análisis multidimensional de la dinámica de los lisosomas, incluida la información espacial, estructural y de pH a lo largo del tiempo.
Muchas sondas actualmente disponibles se conectan dentro del lisosoma, lo que, según Diao, es como colocar una cuerda dentro de un globo de agua. Si el lisosoma estalla, la sonda se lava y se separa del lisosoma, por lo que ya no es útil para fines de seguimiento.
Por el contrario, la sonda EC Green está anclada a la membrana del lisosoma. Incluso si el lisosoma se rompe, permanece seguro en su posición como una cuerda que permanece unida a la parte exterior de un globo reventado.
«Así que será muy estable. Puedes ponerlo allí durante varios días», dijo Diao. «La sonda comercial de uso común desaparecerá, pero nuestra sonda durará para siempre porque está protegida por la membrana exterior».
La sonda también está especialmente diseñada para emitir una gran cantidad de fotones para que pueda soportar imágenes de súper resolución bajo una alta intensidad de láser.
«Cuando usa una intensidad alta, la mayor parte de la sonda se blanqueará. Cuando estimula algo con demasiada fuerza, simplemente morirá», dijo Diao.
Si bien proporciona una serie de ventajas, Diao dijo que la faceta más importante de la sonda es que es útil.
Según Diao, EC Green es relativamente económico y extremadamente rápido y fácil de usar para los investigadores. Unos 20-30 minutos después de teñir las células con la sonda, las muestras se pueden lavar y colocar bajo un microscopio para su observación.
«Es tan simple y nadie tendría problemas para usarlos», dijo. «Ese fue otro concepto para nosotros cuando desarrollamos la nueva sonda. No queremos simplemente hacer que todo sea tan difícil; lo que queremos es hacer que todo sea más simple».
Diao y Sun ya están trabajando arduamente para colaborar en la próxima generación de EC Green, que proporcionará aún más detalles sobre los niveles de pH al cambiar de verde a rojo en diferentes niveles de acidez. La esperanza es estar listo para obtener una patente y publicar otro artículo sobre esta nueva sonda para fines de 2022.
Mapeo del panorama celular
Además de la sonda EC Green, Diao y Sun también han desarrollado una nueva técnica de imagen que permite a los investigadores medir con precisión la distancia, la forma y la ubicación de cada orgánulo dentro de una célula. Esto puede ayudar a proporcionar más información sobre la interacción entre los orgánulos y cómo estas interacciones pueden conducir al desarrollo de enfermedades.
La técnica se basa y utiliza microscopía de superresolución, que proporciona imágenes más claras de partículas a nivel subcelular.
«Así que medimos la distancia relativa entre orgánulos como los lisosomas y las mitocondrias», dijo Diao. «Descubrimos que simplemente haciendo un levantamiento y un mapeo dentro de la célula usando nuestra superresolución, podemos lograr y descubrir muchos cambios desconocidos dentro de la célula».
En el primer uso de la nueva técnica de medición descrita en el artículo, los investigadores encontraron que las mitocondrias, el orgánulo de las células responsables de la producción de energía y la respiración, se agrandan cuando se desarrollan enfermedades degenerativas.
También se descubrió que los lisosomas tienden a acercarse a las mitocondrias cuando se dañan las mitocondrias. La investigación adicional puede ayudar a determinar más acerca de cómo los tamaños y las ubicaciones de los orgánulos entre sí pueden causar enfermedades, dijo Diao.
Aumento de capacidades con IA
Ahora que se ha desarrollado la técnica de medición de imágenes, Diao dijo que el equipo está comenzando a trabajar con científicos informáticos para aprovechar el poder de la inteligencia artificial para aumentar la forma en que se puede usar.
«Hoy en día, muchas mediciones las realizan personas y un algoritmo simple, por lo que todavía necesitamos mano de obra», dijo Diao. «Estamos desarrollando IA, la maquinaria, la inteligencia para tratar de hacer todo por la máquina».
En el futuro, Diao dijo que la esperanza es que se pueda entrenar un algoritmo con una amplia variedad de imágenes de células sanas y enfermas para que el software pueda analizar una imagen celular y luego predecir si se volverá cancerosa o no.
La técnica combinada con IA también podría usarse para estudiar la efectividad de los medicamentos para tratar enfermedades, por ejemplo, para ver si hay orgánulos específicos que contribuyen a que un paciente desarrolle resistencia a un medicamento determinado.
«Esto nos dará una capacidad de siguiente nivel», dijo. «Actualmente, la mayoría de las personas están mirando el nivel del tejido o un nivel superior, pero podemos bajar al nivel subcelular».
Debido a la compra de un nuevo microscopio de la Facultad de Medicina y el Departamento de Biología del Cáncer de la UC, cualquier investigador de la Universidad de Cincinnati o del Centro Médico del Hospital Infantil de Cincinnati ahora está equipado para aprovechar las innovaciones del laboratorio de Diao en estudios futuros.
«Así que eso es lo que realmente estamos intentando, permitir que más personas usen la sonda más avanzada y la técnica de imagen más avanzada para hacer su estudio», dijo Diao.