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Las células vibrantes revelan sus dolencias
Uniendo la física, la ingeniería y la microbiología, los investigadores del MIT han medido la frecuencia a la que vibran los glóbulos rojos y han demostrado que esas frecuencias reflejan la salud de las células. La investigación podría conducir a mejores diagnósticos médicos.
Células vibrantes: Michael Feld y Subra Suresh del MIT, con la ayuda de una técnica desarrollada en el laboratorio de Feld, pudieron obtener imágenes de las vibraciones de la membrana de una célula sanguínea infectada con el parásito de la malaria (arriba). La técnica de Feld también proporcionó imágenes del interior de las células (abajo), lo que permitió a los investigadores correlacionar las frecuencias vibratorias de las células con el progreso de la enfermedad.
El trabajo se realizó en colaboración entre el físico del MIT Michael Field y Subra Suresh , decano de la escuela de ingeniería del MIT y científico de materiales. Feld dirige el Centro de Investigación Biomédica Láser del MIT, que ha desarrollado una técnica de imágenes que puede crear imágenes tridimensionales de células vivas. El laboratorio de Suresh ha realizado experimentos para medir aspectos como la rigidez de los glóbulos rojos infectados por parásitos de la malaria.
Un glóbulo rojo tiene actividad eléctrica, química y biológica en su interior, lo que provoca vibraciones a nanoescala en su superficie. Para medir las frecuencias vibratorias de las células, los investigadores combinaron la técnica de imágenes de Feld con microscopía de fase de difracción, en la que un rayo láser que atraviesa una célula se une a un rayo de referencia que no lo hace, creando un patrón de interferencia distintivo. Para establecer la conexión entre la vibración de las células y su salud, los investigadores utilizaron la técnica de Feld para crear imágenes tridimensionales de un parásito de la malaria dentro de un glóbulo rojo. También midieron los niveles de hemoglobina dentro de las células durante varias etapas de una infección por malaria.
Esto nunca se ha hecho antes, dice Ares Rosakis , profesor de aeronáutica e ingeniería mecánica en el Instituto de Tecnología de California. Reducir las técnicas ópticas al nivel [de nanoescala] es extremadamente desafiante. (Rosakis no participó en el trabajo, aunque uno de sus antiguos alumnos de posgrado sí lo estaba).
Rosakis ve dos usos para las nuevas técnicas. Una es mejorar los modelos informáticos de células, porque las mediciones de Feld y Suresh son mucho más precisas que las mediciones anteriores. El otro es un mejor diagnóstico. Los Centros para el Control de Enfermedades (CDC) de EE. UU. Señalan que la prueba principal para la malaria actualmente no funciona para la malaria aguda : puede reconocer la enfermedad solo después del hecho. Eventualmente, una técnica como la de Feld y Suresh podría proporcionar una forma de detectar la malaria mientras está ocurriendo. Piense en el futuro de un médico o incluso de un técnico no capacitado que tiene [la tecnología] construida dentro de un microscopio comercial y ... instantáneamente obtiene una lectura sobre el estado de la enfermedad, dice Rosakis.
Suresh señala que era raro que los ingenieros mecánicos trabajaran en biología celular, y más raro aún hacerlo con los físicos. Pero él y Feld no necesitan salir del edificio para colaborar, dice.
Los dos comenzaron a trabajar juntos hace aproximadamente dos años y medio, después de que Feld invitó a Suresh a dar una charla sobre el trabajo que estaba haciendo su laboratorio con las células de la malaria. Después de la charla de Suresh, los dos decidieron combinar fuerzas e instrumentos para medir la velocidad a la que vibran los glóbulos rojos sanos y enfermos.
Eligieron células contra la malaria debido a la experiencia de Suresh trabajando con ellas, pero eso significó que el laboratorio de Feld tuvo que ser reacondicionado para cumplir con los estándares de bioseguridad de nivel 2 de los CDC. Ese proyecto fue dirigido por una de las investigadoras del equipo de Suresh, Monica Diez-Silva, la única microbióloga de ambos grupos.
Un invasor de malaria tarda 48 horas en recorrer su ciclo de vida, desarrollándose, reproduciéndose y siendo expulsado de la célula. Por lo tanto, los investigadores tuvieron que evaluar las células infectadas de cada etapa de ese proceso de 48 horas, a temperaturas que simulaban la fiebre y el enfriamiento que experimenta el cuerpo humano durante una infección por malaria.
Las membranas celulares vibrantes se mueven meros nanómetros a la vez, y esos movimientos tienen lugar en microsegundos, millonésimas de segundo. Para capturar los datos del rayo láser que atraviesa las células, los investigadores utilizaron la técnica de imágenes de Feld, que une varias imágenes en una composición. La técnica es una especie de tomografía, el principio que subyace a la tomografía computarizada (TC).
Rosakis dice que la obtención de imágenes con patrones de interferencia es particularmente desafiante cuando se observan los glóbulos rojos, que tienen forma de rosquilla y fluidos, y cambian constantemente de forma en todas las direcciones.
El primer conjunto de experimentos de Suresh y Feld tomó casi ocho meses, incluidas semanas y semanas, para ensamblar las imágenes tridimensionales de los parásitos dentro de las células. Luego decidieron observar los niveles de hemoglobina, lo que también llevó meses. Llevaron casi seis meses redactando los resultados, que serán publicados en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias esta semana.
Suresh dice que la investigación debería aplicarse a cualquier otro tipo de células vivas. Él y Feld quieren examinar los glóbulos rojos con anemia falciforme y posiblemente las células cancerosas, aunque será más difícil estudiar las células que tienen un núcleo.
Las técnicas de Suresh y Feld aún no se pueden utilizar para diagnosticar enfermedades, pero Suresh dice que su trabajo constituye la base científica de que se pueden medir las enfermedades a nivel celular.