Las imágenes de ultrasonido se utilizan en todo el mundo para ayudar a visualizar bebés en desarrollo y diagnosticar enfermedades. Las ondas de sonido rebotan en los tejidos, revelando sus diferentes densidades y formas. El siguiente paso en la tecnología de ultrasonido es obtener imágenes no solo de anatomía, sino de células y moléculas específicasmás profundo en el cuerpo, como los asociados con tumores o bacterias en nuestro intestino.
Un nuevo estudio de Caltech describe cómo las técnicas de ingeniería de proteínas podrían ayudar a lograr este hito. Los investigadores diseñaron nanoestructuras protegidas por proteínas llamadas vesículas de gas, que reflejan ondas de sonido, para exhibir nuevas propiedades útiles para las tecnologías de ultrasonido. En el futuro, estasLas vesículas de gas podrían administrarse a un paciente para visualizar los tejidos de interés. Se demostró que las vesículas de gas modificadas emiten señales más distintas, haciéndolas más fáciles de visualizar; apuntan a tipos de células específicas; y ayudan a crear imágenes de ultrasonido en color.
"Es algo así como la ingeniería con Legos moleculares", dice el profesor asistente de ingeniería química e investigador principal de Heritage Mikhail Shapiro, autor principal de un nuevo artículo sobre la investigación publicada en la edición de este mes de la revista ACS Nano y aparece en la portada del diario.
"Podemos intercambiar diferentes 'piezas' de proteínas en la superficie de las vesículas de gas para alterar sus propiedades de orientación y visualizar múltiples moléculas en diferentes colores"
"Hoy en día, el ultrasonido es principalmente anatómico", dice Anupama Lakshmanan, un estudiante graduado en el laboratorio de Shapiro y autor principal del estudio. "Queremos reducirlo al nivel molecular y celular".
En 2014, Shapiro descubrió por primera vez el uso potencial de vesículas de gas en la ecografía. Estas estructuras llenas de gas se producen naturalmente en organismos unicelulares que viven en el agua, como Anabaena flos-aquae, una especie de cianobacterias que forma grupos filamentososde cadenas multicelulares. Las vesículas de gas ayudan a los organismos a controlar cuánto flotan y, por lo tanto, su exposición a la luz solar en la superficie del agua. Shapiro se dio cuenta de que las vesículas reflejarían fácilmente las ondas sonoras durante las imágenes de ultrasonido, y finalmente lo demostró usando ratones.
En la última investigación, Shapiro y su equipo se propusieron dar a las vesículas de gas nuevas propiedades mediante la ingeniería de la proteína de vesícula de gas C, o GvpC, una proteína que se encuentra naturalmente en la superficie de las vesículas que les da resistencia mecánica y evita que colapsen.La proteína se puede diseñar para tener diferentes tamaños, con versiones más largas de la proteína que producen nanoestructuras más fuertes y más rígidas.
"Las proteínas son como las barras de encuadre de un fuselaje de avión. Las usas para determinar la mecánica de la estructura", dice Shapiro.
En un experimento, los científicos eliminaron la proteína fortalecedora de las vesículas de gas y luego administraron las vesículas de ingeniería a los ratones y realizaron una ecografía. En comparación con las vesículas normales, las vesículas modificadas vibraron más en respuesta a las ondas de sonido y, por lo tanto, resonaron con frecuencias armónicasLos armónicos se crean cuando las ondas de sonido rebotan, por ejemplo, en un violín, y forman nuevas ondas con frecuencias duplicadas y triplicadas. Los armónicos no se crean fácilmente en los tejidos naturales, lo que hace que las vesículas se destaquen en las imágenes de ultrasonido.
En otro conjunto de experimentos, los investigadores demostraron cómo se pueden hacer las vesículas de gas para dirigirse a ciertos tejidos del cuerpo. Diseñaron genéticamente las vesículas para mostrar varios objetivos celulares, como una secuencia de aminoácidos que reconoce proteínas llamadas integrinas que sonsobreproducido en células tumorales.
"Agregar estas funcionalidades a las vesículas de gas es como colocar una nueva pieza de Lego; es un sistema modular", dice Shapiro.
El equipo también mostró cómo se podrían crear imágenes de ultrasonido multicolor. Las imágenes de ultrasonido convencionales aparecen en blanco y negro. El grupo de Shapiro creó un enfoque para obtener imágenes de tres tipos diferentes de vesículas de gas como "colores" separados en función de su capacidad diferencial para resistir el colapso bajo presiónLas vesículas en sí no aparecen en diferentes colores, pero se les puede asignar colores en función de sus diferentes propiedades.
Para demostrar esto, el equipo hizo tres versiones diferentes de las vesículas con diferentes concentraciones de la proteína GvpC. Luego aumentaron las presiones de ultrasonido, haciendo que las poblaciones variantes colapsen sucesivamente una por una. A medida que cada población colapsó, la señal de ultrasonido generaldisminuyó en proporción a la cantidad de esa variante en la muestra, y este cambio de señal se asignó a un color específico. En el futuro, si cada población variante se enfocara en un tipo de célula específico, los investigadores podrían visualizar las células en múltiples colores.
"Es posible que pueda ver las células tumorales frente a las células inmunes que atacan el tumor y, por lo tanto, controlar el progreso de un tratamiento médico", dice Shapiro.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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