Para acelerar las innovaciones biotecnológicas, como el desarrollo de terapias farmacológicas que salven vidas, los científicos se esfuerzan por desarrollar formas más rápidas, más cuantitativas y más ampliamente disponibles de observar biomoléculas en células vivas. 

Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un nuevo método que permite el uso de luz infrarroja (IR) para capturar imágenes claras de biomoléculas dentro de las células, algo que antes no era posible debido a la tendencia del agua en las células a absorber la radiación infrarroja. El nuevo método elimina los efectos oscurecedores del agua en las mediciones basadas en IR y permite a los investigadores determinar las cantidades de biomoléculas clave en las células, como las proteínas que dirigen la función celular. La capacidad de medir los cambios en las células vivas podría acelerar los avances en la biofabricación, el desarrollo de terapias celulares, el desarrollo de fármacos y más.   

Sus hallazgos han sido publicados en Analytical Chemistry . 

La radiación infrarroja es la luz que se encuentra justo por debajo de lo que es visible para el ojo humano. Aunque no podemos ver la luz infrarroja, podemos sentirla en forma de calor. En la microscopía infrarroja, un material de interés absorbe la radiación de una gama de longitudes de onda en el espectro de infrarrojos. Los científicos miden y analizan el espectro de absorción de infrarrojos de una muestra, lo que produce un conjunto de «huellas dactilares» para identificar moléculas y otras estructuras químicas. Sin embargo, el agua, la molécula más abundante tanto dentro como fuera de las células, absorbe los infrarrojos con fuerza y ​​enmascara la absorción de infrarrojos de otras biomoléculas en las células. 

Una forma de entender este efecto de enmascaramiento óptico es compararlo con el paso de un avión cerca del Sol. A simple vista, es difícil ver el avión debido al Sol, pero si se utiliza un filtro especial que bloquee el Sol, se puede ver fácilmente el avión en el cielo. 

“En el espectro, el agua absorbe los rayos infrarrojos con mucha fuerza, y queremos ver el espectro de absorción de las proteínas a través del espeso fondo de agua, por lo que diseñamos el sistema óptico para descubrir la contribución del agua y revelar las señales de las proteínas”, dijo el químico del NIST Young Jong Lee.

Lee desarrolló una técnica patentada que utiliza un elemento óptico para compensar la absorción de agua de los rayos infrarrojos. La técnica, denominada compensación de absorción de disolventes (SAC), se utilizó con un microscopio láser IR construido a mano para obtener imágenes de las células que sustentan la formación de tejido conectivo, llamadas células fibroblásticas. Durante un período de observación de 12 horas, los investigadores pudieron identificar grupos de biomoléculas (proteínas, lípidos y ácidos nucleicos) durante las etapas del ciclo celular, como la división celular. Si bien esto puede parecer mucho tiempo, el método es, en última instancia, más rápido que las alternativas actuales, que requieren tiempo de haz en una gran instalación de sincrotrón.

Este nuevo método, llamado SAC-IR, no utiliza etiquetas, lo que significa que no requiere colorantes ni marcadores fluorescentes, que pueden dañar las células y también producir resultados menos consistentes en los laboratorios. 

El método SAC-IR permitió a los investigadores del NIST medir la masa absoluta de proteínas en una célula, además de ácidos nucleicos, lípidos y carbohidratos. La técnica podría ayudar a establecer una base para estandarizar métodos de medición de biomoléculas en células, lo que podría resultar útil en biología, medicina y biotecnología.

“En la terapia con células cancerosas, por ejemplo, cuando se modifican las células del sistema inmunológico de un paciente para que reconozcan y destruyan mejor las células cancerosas antes de reintroducirlas en el paciente, hay que preguntarse: ‘¿Son estas células seguras y eficaces?’ Nuestro método puede resultar útil al proporcionar información adicional con respecto a los cambios biomoleculares en las células para evaluar la salud celular”, afirmó Lee.

Otras posibles aplicaciones incluyen el uso de células para la detección de fármacos, ya sea para descubrir nuevos fármacos o para comprender la seguridad y eficacia de un fármaco candidato. Por ejemplo, este método podría ayudar a evaluar la potencia de nuevos fármacos midiendo las concentraciones absolutas de varias biomoléculas en un gran número de células individuales, o para analizar cómo reaccionan los distintos tipos de células a los fármacos. 

Los investigadores esperan desarrollar aún más la técnica para poder medir otras biomoléculas clave, como el ADN y el ARN, con mayor precisión. La técnica también podría ayudar a proporcionar respuestas detalladas a preguntas fundamentales de la biología celular, como qué características biomoleculares corresponden a la viabilidad celular; en otras palabras, si la célula está viva, moribunda o muerta. 

“Algunas células se conservan congeladas durante meses o años y luego se descongelan para su uso posterior. Todavía no sabemos exactamente cuál es la mejor manera de descongelar las células manteniendo al mismo tiempo la máxima viabilidad. Con nuestras nuevas capacidades de medición, es posible que podamos desarrollar mejores procesos para congelar y descongelar células observando sus espectros infrarrojos”, afirmó Lee. 

Artículo: Yow-Ren Chang, Seong-Min Kim y Young Jong Lee. Imágenes infrarrojas de células vivas en laboratorio: seguimiento de la masa total de biomoléculas en células individuales. Química analítica. Publicado en línea el 4 de septiembre de 2024. DOI: 10.1021/acs.analchem.4c02108