Las secreciones celulares como proteínas, anticuerpos y neurotransmisores juegan un papel esencial en la respuesta inmune, el metabolismo y la comunicación entre las células. Comprender las secreciones celulares es clave para desarrollar tratamientos de enfermedades, pero los métodos actuales solo pueden informar la cantidad de secreciones, sin ningún detalle sobre cuándo y dónde se producen.

Ahora, los investigadores del Laboratorio de Sistemas BIOnanofotónicos (BIOS) de la Facultad de Ingeniería y de la Universidad de Ginebra han desarrollado un nuevo enfoque de imagen óptica que ofrece una vista en cuatro dimensiones de las secreciones celulares tanto en el espacio como en el tiempo. Al colocar células individuales en pozos microscópicos en un chip chapado en oro nanoestructurado y luego inducir un fenómeno llamado resonancia plasmónica en la superficie del chip, pueden mapear las secreciones a medida que se producen, mientras observan la forma y el movimiento de las células.

Como proporciona una visión detallada sin precedentes de cómo funcionan y se comunican las células, los científicos creen que su método, publicado recientemente en Nature Biomedical Engineering, tiene un potencial « tremendo » para el desarrollo farmacéutico, así como para la investigación fundamental.

« Un aspecto clave de nuestro trabajo es que nos permite examinar células individualmente con un alto rendimiento. Las mediciones colectivas de la respuesta promedio de muchas células no reflejan su heterogeneidad. y en biología, todo es heterogéneo, desde las respuestas inmunitarias hasta células cancerosas. Es por eso que el cáncer es tan difícil de tratar », dice Hatice Altug, jefa de BIOS.

Un millón de elementos sensores

En el corazón del método de los científicos se encuentra un chip nanoplasmónico de 1 cm2 compuesto por millones de pequeños agujeros y cientos de cámaras para células individuales. El chip está hecho de un sustrato de oro nanoestructurado cubierto con una fina malla de polímero. Cada cámara se llena con un medio celular para mantener las células vivas y saludables durante la obtención de imágenes.

« Las secreciones celulares son como las palabras de la célula : se esparcen dinámicamente en el tiempo y el espacio para conectarse con otras células. Nuestra tecnología captura la heterogeneidad clave en términos de dónde y cuán lejos viajan estas ‘palabras' », dice el estudiante de doctorado de BIOS y primer autor Saeid Ansaryan.

La parte nanoplasmónica entra gracias a un haz de luz, que hace que los electrones de oro oscilen. La nanoestructura está diseñada para que solo ciertas longitudes de onda puedan penetrarla. Cuando algo, como la secreción de proteínas, ocurre en la superficie del chip para alterar la luz que pasa, el espectro cambia. Un sensor de imagen CMOS (semiconductor de óxido de metal complementario) y un LED traducen este cambio en variaciones de intensidad en los píxeles CMOS.

« La belleza de nuestro aparato es que los nanoagujeros distribuidos por toda la superficie transforman cada punto en un elemento sensor. Esto nos permite observar los patrones espaciales de las proteínas liberadas independientemente de la posición de la célula », dice Ansaryan.

El método ha permitido a los científicos vislumbrar dos procesos celulares esenciales, la división celular y la muerte celular, y estudiar las delicadas células B de donantes humanos secretoras de anticuerpos.

« Vimos cómo se liberaba el contenido celular durante dos formas de muerte celular, la apoptosis y la necroptosis. En esta última, el contenido se libera en un estallido asimétrico, lo que da como resultado una firma de imagen o una huella dactilar. Esto nunca antes se había mostrado en una sola célula ». nivel », dice Altug.

Detección de aptitud celular

Debido a que el método baña las células en un medio celular nutritivo y no requiere las etiquetas fluorescentes tóxicas utilizadas por otras tecnologías de imagen, las células bajo estudio pueden recuperarse fácilmente. Esto le da al método un gran potencial para su uso en el desarrollo de fármacos, vacunas y otros tratamientos; por ejemplo, para ayudar a los investigadores a comprender cómo responden las células a diferentes terapias a nivel individual.

« Dado que la cantidad y el patrón de las secreciones producidas por una célula son un indicador para determinar su eficacia general, también podríamos imaginar aplicaciones de inmunoterapia en las que se examinan las células inmunitarias del paciente para identificar las que son más eficaces y luego se crea una colonia de esas células. « , dice Ansaryan.