Visualización en 3D de placas beta amiloide en un cerebro de ratón. Abajo a la derecha, una placa en alta resolución. Fuente: Riken.
Investigadores del Instituto Riken de Ciencias del Cerebro de Japón han desarrollado una nueva técnica para la creación de tejido transparente que se puede utilizar para iluminar la anatomía del cerebro en 3D a resoluciones muy altas. Publicado en la revista Nature Neuroscience, el trabajo presenta la nueva tecnología y su importancia práctica en la ciencia clínica al mostrar cómo ha obtenido nuevos conocimientos sobre las placas de la enfermedad de Alzheimer.
"La utilidad de estas técnicas puede medirse por su capacidad para reunir información estructural 3D precisa que no se puede lograr fácilmente a través de métodos 2D tradicionales", explica el científico principal Atsushi Miyawaki, en la nota de prensa de Riken. "Aquí, hemos logrado este objetivo mediante un nuevo procedimiento, y recogido datos que pueden resolver varias cuestiones de actualidad en relación con la enfermedad de Alzheimer. Mientras que la visión de rayos X de Superman es sólo cosa de los cómics, nuestro método, llamado ScaleS, es una manera real y práctica de ver a través del cerebro y los tejidos del cuerpo".
En los últimos años, la generación de tejido-a-través-del-que-se-ve se ha convertido en un objetivo para muchos investigadores en ciencias de la vida, debido a su potencial para revelar detalles estructurales complejos de nuestros cuerpos, órganos y células -sanos y enfermos-, cuando se combinan con técnicas de imagen de microscopía avanzada. Los métodos anteriores eran limitados debido a que el proceso de transparencia en sí puede dañar las estructuras estudiadas.
La receta original publicada por el equipo de Miyawaki en 2011 -denominada Scale- era una solución acuosa a base de urea que sufría este mismo problema. El equipo de investigación pasó 5 años mejorando la eficacia de la receta original para superar este reto fundamental, y el resultado es ScaleS, una nueva técnica con muchas aplicaciones prácticas.
Sorbitol
"El ingrediente clave de nuestra nueva fórmula es el sorbitol, un alcohol de azúcar común", revela Miyawaki. "Mediante la combinación de sorbitol en la proporción adecuada con urea, pudimos crear cerebros transparentes con daño tisular mínimo."
La nueva técnica crea muestras de cerebro transparentes que se pueden almacenar en la solución ScaleS durante más de un año sin sufrir daños. Las estructuras internas mantienen su forma original y los cerebros son lo suficientemente firmes como para permitir el corte en láminas de espesor de micras, necesario para análisis más detallados.
"El verdadero reto es a nivel microscópico", dice Miyawaki. "Además de permitir que el tejido sea visible por microscopía de luz, una solución práctica también debe garantizar la conservación de tejidos necesaria para una microscopía electrónica eficaz."
ScaleS pasó estas pruebas con nota, proporcionando una combinación óptima de señales fluorescentes y tejido transparente, y Miyawaki cree que la calidad y la preservación de las estructuras celulares vistas por microscopía electrónica es incomparable.
"La utilidad de estas técnicas puede medirse por su capacidad para reunir información estructural 3D precisa que no se puede lograr fácilmente a través de métodos 2D tradicionales", explica el científico principal Atsushi Miyawaki, en la nota de prensa de Riken. "Aquí, hemos logrado este objetivo mediante un nuevo procedimiento, y recogido datos que pueden resolver varias cuestiones de actualidad en relación con la enfermedad de Alzheimer. Mientras que la visión de rayos X de Superman es sólo cosa de los cómics, nuestro método, llamado ScaleS, es una manera real y práctica de ver a través del cerebro y los tejidos del cuerpo".
En los últimos años, la generación de tejido-a-través-del-que-se-ve se ha convertido en un objetivo para muchos investigadores en ciencias de la vida, debido a su potencial para revelar detalles estructurales complejos de nuestros cuerpos, órganos y células -sanos y enfermos-, cuando se combinan con técnicas de imagen de microscopía avanzada. Los métodos anteriores eran limitados debido a que el proceso de transparencia en sí puede dañar las estructuras estudiadas.
La receta original publicada por el equipo de Miyawaki en 2011 -denominada Scale- era una solución acuosa a base de urea que sufría este mismo problema. El equipo de investigación pasó 5 años mejorando la eficacia de la receta original para superar este reto fundamental, y el resultado es ScaleS, una nueva técnica con muchas aplicaciones prácticas.
Sorbitol
"El ingrediente clave de nuestra nueva fórmula es el sorbitol, un alcohol de azúcar común", revela Miyawaki. "Mediante la combinación de sorbitol en la proporción adecuada con urea, pudimos crear cerebros transparentes con daño tisular mínimo."
La nueva técnica crea muestras de cerebro transparentes que se pueden almacenar en la solución ScaleS durante más de un año sin sufrir daños. Las estructuras internas mantienen su forma original y los cerebros son lo suficientemente firmes como para permitir el corte en láminas de espesor de micras, necesario para análisis más detallados.
"El verdadero reto es a nivel microscópico", dice Miyawaki. "Además de permitir que el tejido sea visible por microscopía de luz, una solución práctica también debe garantizar la conservación de tejidos necesaria para una microscopía electrónica eficaz."
ScaleS pasó estas pruebas con nota, proporcionando una combinación óptima de señales fluorescentes y tejido transparente, y Miyawaki cree que la calidad y la preservación de las estructuras celulares vistas por microscopía electrónica es incomparable.
Otra visualización de placas beta amiloide. Fuente: Riken.
Variaciones
El equipo ha ideado varias variaciones de la técnica que se pueden utilizar juntas. Mediante la combinación de ScaleS con AbScale -una variación para inmunoetiquetado - y ChemScale -una variación para compuestos químicos fluorescentes- generaron imágenes en 3D de alta resolución de múltiples colores de placas de beta amiloide en ratones viejos a partir de un modelo genético de ratón de la enfermedad de Alzheimer desarrollado en Riken por el equipo de Takaomi Saido.
Después de mostrar cómo el tratamiento ScaleS puede preservar el tejido, los investigadores pusieron la técnica en uso mediante la visualización en 3D de las misteriosas placas "difusas" que se ven en los cerebros post mortem de pacientes con enfermedad de Alzheimer y que suelen ser indetectables utilizando imágenes 2D. Contrariamente a los supuestos actuales, las placas difusas resultaron no estar aisladas, sino que mostraban una amplia asociación con las microglías -células móviles que rodean y protegen las neuronas-.
Otro ejemplo de aplicación práctica de ScaleS fue analizar las posiciones 3D de las células microgliales activas y de las placas beta amiloide. Mientras que algunos científicos sugieren que las células microgliales activas se encuentran cerca de las placas, una reconstrucción 3D detallada y un análisis utilizando ScaleS mostraron que la asociación con las células microgliales activas se produce al principio del desarrollo de la placa, pero no en etapas posteriores de la enfermedad después de que las placas se han acumulado.
"La eliminación de tejido con ScaleS seguida por microscopía 3D tiene claras ventajas sobre la estereología 2D o la inmunohistoquímica," afirma Miyawaki. "Nuestra técnica será útil no sólo para la visualización de las placas en la enfermedad de Alzheimer, sino también para el examen de los circuitos neuronales normales y la localización de los cambios estructurales que caracterizan otras enfermedades del cerebro."
El equipo ha ideado varias variaciones de la técnica que se pueden utilizar juntas. Mediante la combinación de ScaleS con AbScale -una variación para inmunoetiquetado - y ChemScale -una variación para compuestos químicos fluorescentes- generaron imágenes en 3D de alta resolución de múltiples colores de placas de beta amiloide en ratones viejos a partir de un modelo genético de ratón de la enfermedad de Alzheimer desarrollado en Riken por el equipo de Takaomi Saido.
Después de mostrar cómo el tratamiento ScaleS puede preservar el tejido, los investigadores pusieron la técnica en uso mediante la visualización en 3D de las misteriosas placas "difusas" que se ven en los cerebros post mortem de pacientes con enfermedad de Alzheimer y que suelen ser indetectables utilizando imágenes 2D. Contrariamente a los supuestos actuales, las placas difusas resultaron no estar aisladas, sino que mostraban una amplia asociación con las microglías -células móviles que rodean y protegen las neuronas-.
Otro ejemplo de aplicación práctica de ScaleS fue analizar las posiciones 3D de las células microgliales activas y de las placas beta amiloide. Mientras que algunos científicos sugieren que las células microgliales activas se encuentran cerca de las placas, una reconstrucción 3D detallada y un análisis utilizando ScaleS mostraron que la asociación con las células microgliales activas se produce al principio del desarrollo de la placa, pero no en etapas posteriores de la enfermedad después de que las placas se han acumulado.
"La eliminación de tejido con ScaleS seguida por microscopía 3D tiene claras ventajas sobre la estereología 2D o la inmunohistoquímica," afirma Miyawaki. "Nuestra técnica será útil no sólo para la visualización de las placas en la enfermedad de Alzheimer, sino también para el examen de los circuitos neuronales normales y la localización de los cambios estructurales que caracterizan otras enfermedades del cerebro."
Referencia bibliográfica:
Hiroshi Hama, Hiroyuki Hioki, Kana Namiki, Tetsushi Hoshida, Hiroshi Kurokawa, Fumiyoshi Ishidate, Takeshi Kaneko, Takumi Akagi, Takashi Saito, Takaomi Saido, Atsushi Miyawaki: ScaleS: an optical clearing palette for biological imaging. Nature Neuroscience (2015). DOI: 10.1038/nn.4107
Hiroshi Hama, Hiroyuki Hioki, Kana Namiki, Tetsushi Hoshida, Hiroshi Kurokawa, Fumiyoshi Ishidate, Takeshi Kaneko, Takumi Akagi, Takashi Saito, Takaomi Saido, Atsushi Miyawaki: ScaleS: an optical clearing palette for biological imaging. Nature Neuroscience (2015). DOI: 10.1038/nn.4107