La técnica de microscopía podría permitir biopsias más informativas

La expansión de muestras de tejido antes de la obtención de imágenes ofrece información detallada sobre la enfermedad.

Ana Trafton | Oficina de noticias del MIT

Investigadores del MIT y de la Facultad de Medicina de Harvard han ideado una forma de obtener imágenes de muestras de biopsia con una resolución mucho mayor, un avance que podría ayudar a los médicos a desarrollar pruebas de diagnóstico más precisas y económicas.

Durante más de 100 años, los microscopios ópticos convencionales han sido herramientas vitales para la patología. Sin embargo, los detalles de las celdas a escala fina no se pueden ver con estos visores. La nueva técnica se basa en un enfoque conocido como microscopía de expansión, desarrollado originalmente en el laboratorio de Edward Boyden en el MIT, en el que los investigadores expanden una muestra de tejido a 100 veces su volumen original antes de obtener la imagen.

Esta expansión permite a los investigadores ver características con un microscopio de luz convencional que normalmente solo se pueden ver con un costoso microscopio electrónico de alta resolución. También revela información molecular adicional que el microscopio electrónico no puede proporcionar.

“Es una técnica que podría tener una aplicación muy amplia”, dice Boyden, profesor asociado de ingeniería biológica y ciencias del cerebro y cognitivas en el MIT. También es miembro del Laboratorio de Medios del MIT y del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro, y becario de la Facultad HHMI-Simons.

En un artículo que aparece en la edición del 17 de julio de  Nature Biotechnology , Boyden y sus colegas usaron esta técnica para distinguir lesiones mamarias en etapa temprana con alto o bajo riesgo de convertirse en cáncer, una tarea que es un desafío para los observadores humanos. Este enfoque también se puede aplicar a otras enfermedades: en un análisis de tejido renal, los investigadores encontraron que las imágenes de muestras expandidas revelaron signos de enfermedad renal que normalmente solo se pueden ver con un microscopio electrónico.

“Usando la microscopía de expansión, podemos diagnosticar enfermedades que antes eran imposibles de diagnosticar con un microscopio de luz convencional”, dice Octavian Bucur, instructor de la Escuela de Medicina de Harvard, el Centro Médico Beth Israel Deaconess (BIDMC) y el Centro Ludwig de Harvard. , y uno de los autores principales del artículo.

El postdoctorado del MIT, Yongxin Zhao, es el coautor principal del artículo. Boyden y Andrew Beck, ex profesor asociado de la Escuela de Medicina de Harvard y BIDMC, son los autores principales del artículo.

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“Algunos productos químicos y un microscopio óptico”

La técnica de microscopía de expansión original de Boyden se basa en la incorporación de muestras de tejido en un polímero denso generado uniformemente que se hincha cuando se agrega agua. Antes de que ocurra la hinchazón, los investigadores anclan al gel de polímero las moléculas que quieren visualizar y digieren otras proteínas que normalmente mantienen unido el tejido.

Esta ampliación de tejido permite a los investigadores obtener imágenes con una resolución de alrededor de 70 nanómetros, lo que antes solo era posible con microscopios muy especializados y costosos.

En el nuevo estudio, los investigadores se propusieron adaptar el proceso de expansión para muestras de tejido de biopsia, que generalmente se incrustan en cera de parafina, se congelan instantáneamente o se tiñen con un químico que hace que las estructuras celulares sean más visibles.

El equipo de MIT/Harvard ideó un proceso para convertir estas muestras en un estado adecuado para la expansión. Por ejemplo, eliminan la mancha química o la parafina al exponer los tejidos a un solvente químico llamado xileno. Luego, calientan la muestra en otro químico llamado citrato. Después de eso, los tejidos pasan por un proceso de expansión similar a la versión original de la técnica, pero con pasos de digestión más fuertes para compensar la fuerte fijación química de las muestras.

Durante este procedimiento, los investigadores también pueden agregar etiquetas fluorescentes para moléculas de interés, incluidas proteínas que marcan tipos particulares de células, o ADN o ARN con una secuencia específica.

“El trabajo de Zhao et al. describe una forma muy inteligente de extender la resolución de la microscopía de luz para resolver detalles más allá de lo que se ve con los métodos convencionales”, dice David Rimm, profesor de patología en la Facultad de Medicina de la Universidad de Yale, que no participó en la investigación.

La técnica de expansión revela información molecular adicional que el microscopio electrónico no puede proporcionar. (Foto: Jimmy Day/MIT Media Lab)

Los investigadores probaron este enfoque en muestras de tejido de pacientes con lesiones mamarias en etapa temprana. Una forma de predecir si estas lesiones se volverán malignas es evaluar la apariencia de los núcleos de las células. Las lesiones benignas con núcleos atípicos tienen una probabilidad cinco veces mayor de progresar a cáncer que aquellas con núcleos típicos.

Sin embargo, los estudios han revelado discrepancias significativas entre las evaluaciones de la atipia nuclear realizadas por diferentes patólogos, lo que puede conducir potencialmente a un diagnóstico inexacto y a una cirugía innecesaria. Un sistema mejorado para diferenciar lesiones benignas con núcleos atípicos y típicos podría potencialmente prevenir 400.000 diagnósticos erróneos y cientos de millones de dólares cada año en los Estados Unidos, según los investigadores.

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Después de expandir las muestras de tejido, el equipo de MIT/Harvard las analizó con un algoritmo de aprendizaje automático que puede calificar los núcleos en función de docenas de características, incluida la orientación, el diámetro y cuánto se desvían de la verdadera circularidad. Este algoritmo pudo distinguir entre las lesiones que probablemente se volverían invasivas y las que no, con una precisión del 93 por ciento en muestras expandidas en comparación con solo el 71 por ciento en el tejido preexpandido.

“Estos dos tipos de lesiones se ven muy similares a simple vista, pero uno tiene mucho menos riesgo de cáncer”, dice Zhao.

Los investigadores también analizaron muestras de tejido renal de pacientes con síndrome nefrótico, que afecta la capacidad de los riñones para filtrar la sangre. En estos pacientes, se pierden o dañan pequeñas proyecciones similares a dedos que filtran la sangre. Estas estructuras están separadas por unos 200 nanómetros y, por lo tanto, generalmente solo se pueden ver con un microscopio electrónico o microscopios costosos de súper resolución.

Cuando los investigadores mostraron las imágenes de las muestras de tejido expandido a un grupo de científicos que incluía patólogos y no patólogos, el grupo pudo identificar el tejido enfermo con un 90 por ciento de precisión en general, en comparación con solo el 65 por ciento de precisión con muestras de tejido sin expandir.

“Ahora se puede diagnosticar la enfermedad renal nefrótica sin necesidad de un microscopio electrónico, una máquina muy costosa”, dice Boyden. “Puedes hacerlo con algunos productos químicos y un microscopio óptico”.

Descubriendo patrones

Usando este enfoque, los investigadores anticipan que los científicos podrían desarrollar diagnósticos más precisos para muchas otras enfermedades. Para hacer eso, los científicos y los médicos deberán analizar muchas más muestras de pacientes, lo que les permitirá descubrir patrones que de otro modo serían imposibles de ver.

“Si puede expandir un tejido cien veces su volumen, en igualdad de condiciones, obtendrá 100 veces más información”, dice Boyden.

Por ejemplo, los investigadores podrían distinguir las células cancerosas en función de cuántas copias de un gen en particular tienen. Las copias adicionales de genes como HER2, que los investigadores visualizaron en una parte de este estudio, indican un subtipo de cáncer de mama que es elegible para tratamientos específicos.

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Los científicos también podrían observar la arquitectura del genoma, o cómo cambian las formas de las células a medida que se vuelven cancerosas e interactúan con otras células del cuerpo. Otra posible aplicación es la identificación de proteínas que se expresan específicamente en la superficie de las células cancerosas, lo que permite a los investigadores diseñar inmunoterapias que marcan esas células para que el sistema inmunitario del paciente las destruya.

Boyden y sus colegas organizan cursos de capacitación varias veces al mes en el MIT, donde los visitantes pueden venir y ver técnicas de microscopía de expansión, y han puesto a disposición sus protocolos en su  sitio web . Esperan que muchas más personas comiencen a usar este enfoque para estudiar una variedad de enfermedades.

“Las biopsias de cáncer son solo el comienzo”, dice Boyden. “Tenemos una nueva tubería para tomar muestras clínicas y expandirlas, y estamos descubriendo que podemos aplicar la expansión a muchas enfermedades diferentes. La expansión permitirá que la patología computacional aproveche más información en un espécimen de lo que antes era posible”.

Humayun Irshad, investigador de Harvard/BIDMC y autor del estudio, está de acuerdo: “Las imágenes ampliadas dan como resultado características más informativas, que a su vez dan como resultado modelos de clasificación de mayor rendimiento”.

Otros autores incluyen a la patóloga de Harvard Astrid Weins, quien ayudó a supervisar el estudio del riñón. Otros autores del MIT (Fei Chen) y BIDMC/Harvard (Andreea Stancu, Eun-Young Oh, Marcello DiStasio, Vanda Torous, Benjamin Glass, Isaac E. Stillman y Stuart J. Schnitt) también contribuyeron a este estudio.

La investigación fue financiada, en parte, por el Premio al Investigador Robertson de la Fundación de Células Madre de Nueva York, el Premio Pionero del Director de los Institutos Nacionales de Salud, la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria del Departamento de Defensa, el Proyecto de Filantropía Abierta, el Centro Ludwig de Harvard y Harvard Catalizador.

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