Las imágenes avanzadas revelan la migración atascada de neuronas en modelos de laboratorio del síndrome de Rett

Utilizando un método de microscopía innovador, los científicos del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT observaron cómo las neuronas recién nacidas luchan por llegar a sus lugares apropiados en modelos avanzados de tejido cerebral humano del síndrome de Rett, produciendo una nueva visión de cómo se observan los déficits de desarrollo en los cerebros de los pacientes. con el trastorno devastador puede surgir.

El síndrome de Rett, que se caracteriza por síntomas que incluyen discapacidad intelectual grave y alteración del comportamiento social, está causado por mutaciones en el gen MECP2. Para obtener una nueva perspectiva sobre cómo la mutación afecta las primeras etapas del desarrollo del cerebro humano, los investigadores del laboratorio Mriganka Sur, Profesor Newton de Neurociencia en el Departamento de Ciencias del Cerebro y Cognitivas del MIT, cultivaron cultivos celulares en 3D llamados organoides cerebrales, o minicerebros, utilizando células de personas con mutaciones en MECP2 y las comparó con culturas por lo demás idénticas sin las mutaciones. Luego, el equipo dirigido por el posdoctorado Murat Yildirim examinó el desarrollo de cada tipo de minicerebro utilizando una tecnología de imagen avanzada llamada microscopía de tres fotones de tercera generación armónica (THG).

THG, que Yildirim ha ayudado a ser pionero en el laboratorio de Sur trabajando con el profesor de ingeniería mecánica del MIT Peter So, permite obtener imágenes de muy alta resolución en tejidos vivos e intactos sin tener que agregar ningún químico para etiquetar las células. El nuevo estudio, publicado en eLife, es el primero en usar THG para generar imágenes de organoides, dejándolos prácticamente intactos, dijo Yildirim. Los estudios previos de imágenes de organoides requirieron el uso de tecnologías que no pueden generar imágenes a través del tejido 3D, o métodos que requieren matar los cultivos: ya sea cortándolos en secciones delgadas o clareándolos químicamente y etiquetándolos.

La microscopía de tres fotones emplea un láser, pero Yildirim y So diseñaron el microscopio del laboratorio a la medida para aplicar al tejido no más potencia que un puntero láser de juguete para gatos (menos de 5 milivatios).

«Debe asegurarse de no cambiar o afectar la fisiología neuronal de forma adversa», dijo Yildirim. «Realmente debe mantener todo intacto y asegurarse de no traer algo externo que pueda dañarlo. Es por eso que somos tan cuidadosos con la energía (y el etiquetado químico)».

Incluso a baja potencia, lograron una señal adecuada para lograr imágenes intactas y sin etiquetas de organoides fijos y vivos. Para validar que compararon sus imágenes THG con imágenes hechas a través de métodos de etiquetado químico más tradicionales.

El sistema THG les permitió rastrear la migración de las neuronas recién nacidas a medida que avanzaban desde el borde alrededor de los espacios abiertos en los minicerebros (llamados ventrículos) hasta el borde exterior, que es directamente análogo a la corteza cerebral. Vieron que las neuronas nacientes en los minicerebros que modelan el síndrome de Rett se movían lentamente y en caminos serpenteantes en comparación con el movimiento más rápido en líneas más rectas exhibido por los mismos tipos de células en minicerebros sin mutación MECP2. Sur dijo que las consecuencias de tales déficits de migración son consistentes con lo que los científicos, incluso en su laboratorio, han hipotetizado que está sucediendo en los fetos con síndrome de Rett.

«Sabemos por cerebros post mortem y métodos de imágenes cerebrales que las cosas salen mal durante el desarrollo del cerebro en el síndrome de Rett, pero ha sido asombrosamente difícil averiguar qué y por qué», dijo Sur, quien dirige el Centro Simons para el Cerebro Social en el MIT. «Este método nos ha permitido visualizar directamente a un colaborador clave».

THG toma imágenes de tejidos sin etiquetas porque es muy sensible a los cambios en el índice de refracción de los materiales, dijo Yildirim. Por lo tanto, resuelve los límites entre las estructuras biológicas, como los vasos sanguíneos, las membranas celulares y los espacios extracelulares. Debido a que las formas neuronales cambian durante su desarrollo, el equipo también pudo ver claramente la delimitación entre la zona ventricular (el área alrededor de los ventrículos donde emergen las neuronas recién nacidas) y la placa cortical (un área en la que se asientan las neuronas maduras). También fue muy fácil resolver varios ventrículos y segmentarlos en distintas regiones.

Esas propiedades permitieron a los investigadores poder ver que en los organoides del síndrome de Rett los ventrículos eran más grandes y numerosos y que las zonas ventriculares, los bordes alrededor de los ventrículos donde nacen las neuronas, eran más delgadas. En organoides vivos, pudieron rastrear algunas de las neuronas que se dirigían hacia la corteza durante unos días, tomando una nueva imagen cada 20 minutos, como también intentan hacer las neuronas en los cerebros en desarrollo reales. Vieron que las neuronas del síndrome de Rett alcanzaban solo alrededor de dos tercios de la velocidad de las neuronas no mutadas. Los caminos de las neuronas Rett también fueron significativamente más ondulados. Las dos diferencias combinadas significaron que las células de Rett apenas llegaron a la mitad.

«Ahora queremos saber cómo MECP2 influye en los genes y las moléculas que influyen en la migración neuronal», dijo Sur. «Al evaluar los organoides del síndrome de Rett, tenemos algunas buenas conjeturas, que estamos ansiosos por probar». Yildirim, quien lanzará su propio laboratorio como profesor asistente en el Instituto de Investigación Lerner de la Clínica Cleveland en septiembre, dijo que tiene nuevas preguntas basadas en los hallazgos. Quiere obtener imágenes más adelante en el desarrollo de organoides para rastrear las consecuencias de la migración sinuosa. También quiere saber más sobre si los tipos de células específicas tienen más o menos dificultades para migrar, lo que podría alterar el funcionamiento de los circuitos corticales.

Yildirim también dijo que espera continuar avanzando en la microscopía de tres fotones THG, que considera que tiene potencial para obtener imágenes de grano fino en humanos. Puede ser una ventaja importante en las personas, especialmente que el método de imagen puede penetrar profundamente en el tejido vivo sin necesidad de etiquetas artificiales.