Un nuevo microscopio inteligente ha dado a los científicos un asiento de primera fila para el drama del desarrollo de los mamíferos.
Por primera vez, los investigadores ahora pueden mirar dentro de un embrión de ratón vivo y ver cómo se comienza a formar el intestino y las células cardíacas toman sus primeros latidos tentativos. Durante una ventana crítica de 48 horas, cuando los órganos rudimentarios comienzan a tomar forma,los científicos pueden seguir cada célula embrionaria y determinar con precisión dónde fue, qué genes activó y qué células encontró en el camino.
El nuevo trabajo es "literalmente un plan de construcción de resolución celular de todo el ratón", dice Philipp Keller, físico y biólogo del Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes en Ashburn, Virginia. Él y sus colegas informan los resultados en octubre11, 2018, en el diario Celda . Y están haciendo que el microscopio y las herramientas computacionales, construidas en Janelia, y todos los datos de imágenes sean gratuitos y estén disponibles públicamente.
Tales recursos son críticos para los científicos que intentan cultivar o regenerar órganos, o para algún día solucionar problemas de desarrollo que surgen en el útero, dice Kate McDole, bióloga de desarrollo de Janelia y coautora del estudio. "Para hacer algo de eso, primero necesitapara entender cómo se forman los órganos ", dice ella." Necesitas ver realmente qué sucede en un embrión real ".
mirando dentro
Hasta ahora, las mejores vistas de los embriones vivos provenían de peces y moscas. Hace una década, Keller y sus colegas desarrollaron el primer "embrión digital" del pez cebra, una especie de pez rayado transparente a menudo estudiado por los científicos.
Los investigadores escanearon embriones de peces con un microscopio de lámina de luz, que proyecta láminas ultrafinas de luz láser a través de muestras, sección por sección incremental. Keller diseñó programas de computadora para dar sentido a todos los datos de imágenes, y el resultado ofreció una visión de alta resoluciónen las primeras 24 horas de desarrollo de peces.
Los colegas de Keller y Janelia siguieron el trabajo con un embrión de mosca de la fruta digital publicado en la revista Métodos de la naturaleza en 2014. Keller dice que esos animales son relativamente fáciles de visualizar, especialmente el pez cebra. Son transparentes y no muy sensibles a la luz, lo que los convierte en un "blanco fácil para la microscopía".
Los ratones son una historia diferente. Mantener vivos los embriones de ratón en el laboratorio, incluso por períodos cortos de tiempo, requiere una larga lista de condiciones. Los embriones deben mantenerse estériles, por ejemplo; deben sumergirse en una especie desopa de nutrientes, y los niveles de gas y temperatura deben controlarse con precisión. Además, las células son increíblemente sensibles a la luz, los tejidos pueden ser densos y opacos, y el embrión no puede mantenerse inmóvil bajo el microscopio.un punto, por lo que "se mueve como un pequeño globo", dice McDole.
Finalmente, durante el período de tiempo que los investigadores querían observar, de seis días y medio a ocho días y medio después de la fertilización, el embrión crece en más de un orden de magnitud, hasta casi tres milímetros de diámetro, aproximadamente la longitudde una semilla de sésamo. Para el microscopio, el embrión es un objetivo en movimiento, que cambia continuamente de tamaño y posición. Incluso un humano acampado en el laboratorio, ajustando el enfoque del telescopio cada cinco minutos durante dos días, no pudo capturar imágenes nítidas deltodo el embrión, dice Keller.
Entonces su equipo tomó una táctica diferente: diseñaron un microscopio que podría hacer todo el trabajo por sí mismo.
Un alcance más inteligente
En el centro del microscopio de los investigadores de Janelia, un cubo acrílico transparente alberga la cámara de imágenes del embrión. Dos láminas de luz iluminan el embrión y dos cámaras graban imágenes. Esos componentes permiten a los investigadores espiar el mundo nunca antes visto del desarrollo temprano de órganos, revelando eventos dinámicos en detalles de alta resolución que nadie ha visto antes.
Cuando se forma el intestino anterior, el equipo pudo ver que "no es este proceso lento y suave", dice McDole. "Todo se derrumba y hace un gran agujero". Y el tubo neural, la estructura que luego forma el cerebroy la médula espinal, tejidas juntas como una cremallera, que se extiende a través del embrión.
El cerebro del microscopio está equipado con un conjunto de algoritmos que rastrean la posición y el tamaño del embrión. Estos algoritmos mapean cómo se mueve la lámina de luz a través de la muestra y luego descubren cómo obtener las imágenes más atractivas, manteniendo el embrión enfocado ycentrado en el campo de visión.
Debido a que el embrión cambia constantemente, el microscopio debe adaptarse constantemente, tomar decisiones en milisegundos, en cientos de imágenes, en cientos de puntos de tiempo diferentes. "No diría que nuestro microscopio es más inteligente que un humano", dice Keller,"pero es capaz de hacer cosas que un operador humano no podría hacer"
Nuevas herramientas
Para cada embrión examinado, los investigadores recolectaron casi un millón de imágenes. Luego, construyeron un juego de herramientas computacionales para juntar una imagen del arco de desarrollo de cada célula embrionaria. Un primer paso fue seguir cada célula durante 48 horas de datos de imágenes.se basó en un programa mejorado de rastreo de células que el equipo había desarrollado inicialmente para embriones de mosca y pez cebra. Combinado con un programa creado por el equipo llamado flujo estadístico de vectores, los investigadores podrían trabajar hacia atrás para descubrir dónde se encuentra cada célula en el ocho-y-a-El embrión de medio día de edad proviene, dice el coautor del estudio Léo Guignard, un científico de computación en Janelia. Es como dibujar un mapa del destino y la historia de cada célula, dice.
Sin esos programas, le habría llevado a un humano dos o tres años hacer un seguimiento de cada célula, dice Keller.
Un conjunto de otras herramientas le permite al equipo desarrollar las complejidades de la gastrulación, cuando un embrión se transforma en una estructura de varias capas y una organogénesis temprana. Los colaboradores de Janelia Andrew Berger, Srinivas Turaga y Kristin Branson construyeron un detector de división celular que automáticamenteregistra qué célula se dividió y dónde y cuándo. Y Guignard desarrolló un programa para crear un embrión de ratón virtual "promedio", alineando cuatro embriones juntos en el espacio y el tiempo los fanáticos de Doctor Who reconocerán el nombre del programa, TARDIS, un guiño.a la máquina del tiempo y el espacio utilizada por el doctor ficticio.
El nuevo microscopio es el sexto que el equipo de Keller ha desarrollado en sus ocho años en Janelia; cada uno viene con herramientas de software nuevas y mejoradas. En muchos casos, dice Keller, los ámbitos "permiten fundamentalmente nuevos tipos de experimentos de imágenes", comoviendo cómo se desarrollan embriones de ratón completos.
Su último trabajo toca una cuestión fundamental en biología, Keller dice: "¿Cómo pasar de una sola célula a un embrión?"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Médico Howard Hughes . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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