Cómo las señales fluorescentes podrían permitir implantes de sensores más profundos en el cerebro

3 de junio de 2022 Por Danielle Kirsh

[Imagen cortesía del Instituto de Tecnología de Massachusetts]

Los sensores fluorescentes se utilizan normalmente para etiquetar y obtener imágenes de una variedad de moléculas para brindar una visión única del interior de las células vivas. Sin embargo, el método se ha limitado a células cultivadas en una placa de laboratorio o en tejidos más cercanos a la superficie del cuerpo porque la señal de los sensores se pierde cuando se implantan demasiado profundamente en el cuerpo.

La técnica fotónica del equipo de ingenieros del MIT "mejoró drásticamente" la señal fluorescente, según un comunicado de prensa. Los investigadores demostraron que se podían implantar sensores a una profundidad de hasta 5,5 cm en el tejido y seguir proporcionando una señal potente. Una señalización mejorada podría ayudar a los sensores fluorescentes a rastrear moléculas específicas dentro del cerebro u otros tejidos profundos del cuerpo para realizar diagnósticos médicos o monitorear los efectos de los medicamentos.

"Si tienes un sensor fluorescente que puede sondear información bioquímica en cultivos celulares o en capas delgadas de tejido, esta tecnología te permite traducir todos esos tintes y sondas fluorescentes en tejido grueso", dijo el autor principal del estudio, Volodymyr Koman.

Tradicionalmente, los científicos utilizan diferentes tipos de sensores fluorescentes, incluidos puntos cuánticos, nanotubos de carbono y proteínas fluorescentes, para marcar moléculas dentro de las células. La fluorescencia de los sensores se puede ver al iluminarlos con una luz láser. Sin embargo, el método no funciona en tejido grueso y denso o en lo profundo del tejido porque el tejido emite una luz fluorescente llamada autofluorescencia, que debilita las señales del implante.

"Todos los tejidos son autofluorescentes y esto se convierte en un factor limitante", dijo Koman. "A medida que la señal del sensor se vuelve cada vez más débil, la autofluorescencia del tejido la supera".

Los investigadores del MIT modularon la frecuencia de la luz fluorescente emitida por el sensor para que pudiera distinguirse más fácilmente de la autofluorescencia del tejido. El método, llamado filtrado de frecuencia inducida por longitud de onda (WIFF), utiliza tres láseres para crear un rayo láser con una longitud de onda oscilante.

Según los investigadores, los rayos oscilantes brillan sobre los sensores y hacen que la fluorescencia emitida por el sensor duplique su frecuencia. La señal puede entonces distinguirse fácilmente a partir de la autofluorescencia del fondo. Los investigadores informaron que mejoraron la relación señal-ruido del sensor más de 50 veces.

Los investigadores sugieren que el método podría usarse para monitorear la efectividad de los medicamentos de quimioterapia. Para demostrar su utilidad, el equipo se centró en el glioblastoma. Los pacientes con esta forma agresiva de cáncer cerebral generalmente se someten a una cirugía para extirpar la mayor cantidad posible de tumor y luego reciben quimioterapia para eliminar las células cancerosas restantes.

“Estamos trabajando en tecnología para fabricar pequeños sensores que podrían implantarse cerca del propio tumor, lo que puede dar una indicación de cuánto fármaco llega al tumor y si se está metabolizando. Se podría colocar un sensor cerca del tumor y verificar desde fuera del cuerpo la eficacia del fármaco en el entorno real del tumor”, dijo Michael Strano, autor principal del estudio y profesor Carbon P. Dubbs de ingeniería química en el MIT.

Cuando el medicamento contra el cáncer temozolomida ingresa al cuerpo, se descompone en compuestos más pequeños, y el equipo del MIT diseñó un sensor para detectar el compuesto conocido como AIC. Descubrieron que el implante podía colocarse a una profundidad de hasta 5,5 cm dentro del cerebro de un animal y podía leer la señal del sensor incluso a través del cráneo del animal.

Los investigadores sugieren que los sensores también podrían usarse para detectar firmas moleculares de muerte de células tumorales. El método WIFF podría usarse para mejorar la señal de otros tipos de sensores, incluidos los sensores basados ​​en nanotubos de carbono que detectan peróxido de hidrógeno, riboflavina y ácido ascórbico.

"La técnica funciona en cualquier longitud de onda y puede usarse con cualquier sensor fluorescente", dijo Strano. "Como ahora se tiene mucha más señal, se puede implantar un sensor a profundidades en el tejido que antes no eran posibles".

El equipo del MIT espera continuar la investigación utilizando un láser sintonizable para crear la señal y mejorar aún más la técnica. También están trabajando en sensores que son biológicamente reabsorbibles y no necesitan ser extraídos quirúrgicamente.

La investigación fue financiada por el Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer y el Proyecto Puente Dana-Farber/Harvard Cancer Center con financiación adicional de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia, la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah, el Programa de Liderazgo STEM de Zuckerman, la Fundación Científica Israelí y la Fundación Arnold y Mabel Beckman. Fue publicado en la revista Nature Nanotechnology.