Las imágenes avanzadas descubren la migración atascada de neuronas en modelos de laboratorio del síndrome de Rett
Utilizando un innovador método de microscopía, los científicos del Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria del MIT han observado cómo las neuronas recién nacidas luchan por encontrar su lugar en modelos avanzados de tejido cerebral humano con síndrome de Rett, lo que ha arrojado nuevos conocimientos sobre cómo los déficits de desarrollo observados en los cerebros de los pacientes. con el trastorno devastador puede surgir.
El síndrome de Rett, caracterizado por síntomas como discapacidad intelectual grave y alteración del comportamiento social, está causado por mutaciones en el gen MECP2. Para comprender mejor cómo la mutación afecta las primeras etapas del desarrollo del cerebro humano, los investigadores del laboratorio Mriganka Sur, Profesor Newton de Neurociencia en el Departamento de Ciencias del Cerebro y Cognitivas del MIT, cultivaron cultivos de células 3D llamadas organoides cerebrales o minicerebros, usando células. de personas con mutaciones en MECP2 y las comparó con culturas por lo demás idénticas sin las mutaciones. A continuación, el equipo dirigido por el postdoctorado Murat Yildirim examinó el desarrollo de cada tipo de mini-cerebro utilizando tecnología de imagen avanzada llamada microscopía de tres fotones de tercera generación armónica (THG).
El THG, que Yildirim ayudó a crear en el laboratorio de Sur en colaboración con el profesor de ingeniería mecánica del MIT Peter So, permite obtener imágenes de muy alta resolución en el tejido vivo e intacto sin tener que agregar productos químicos para marcar las células. El nuevo estudio, publicado en eLife, es el primero en usar THG para generar imágenes de organoides, dejándolos prácticamente intactos, dijo Yildirim. Los estudios previos de imágenes de organoides han requerido el uso de tecnologías que no pueden obtener imágenes de todos los tejidos en 3D, o métodos que requieren matar los cultivos: ya sea cortándolos en secciones delgadas o limpiándolos químicamente y etiquetándolos.
La microscopía de tres fotones usa un láser, pero Yildirim y So diseñaron el microscopio del laboratorio para no aplicar más energía al tejido que un puntero láser de gato (menos de 5 milivatios).
«Tienes que asegurarte de que no estás cambiando o afectando negativamente la fisiología neuronal», dijo Yildirim. «Realmente deberías mantener todo intacto y asegurarte de no llevar nada afuera que pueda ser dañino. Es por eso que somos tan cuidadosos con los alimentos (y el etiquetado químico)».
Incluso a baja potencia, obtuvieron una señal adecuada para obtener imágenes intactas y sin etiquetas de organoides vivos y fijos. Para validar esto, compararon sus imágenes THG con imágenes hechas a través de métodos de etiquetado químico más tradicionales.
El sistema THG les permitió seguir la migración de las neuronas recién nacidas a medida que avanzaban desde el borde alrededor de los espacios abiertos en los mini-cerebros (llamados ventrículos) hasta el borde exterior, que es directamente análogo a la corteza cerebral. Vieron que las neuronas nacientes en los mini-cerebros que modelan el síndrome de Rett se movían lentamente y en trayectorias sinuosas en comparación con el movimiento más rápido en líneas más rectas exhibido por los mismos tipos de células en mini-cerebros sin la mutación MECP2. . Sur dijo que las consecuencias de estos déficits migratorios son consistentes con lo que los científicos, incluso en su laboratorio, han hipotetizado que sucede en los fetos con síndrome de Rett.
«Sabemos por cerebros post mortem y métodos de imágenes cerebrales que las cosas van mal durante el desarrollo del cerebro en el síndrome de Rett, pero ha sido sorprendentemente difícil averiguar qué y por qué», dijo Sur, quien dirige el Centro Simons para el Cerebro Social en el MIT. «Este método nos permitió visualizar directamente a un contribuyente clave». THG toma imágenes del tejido sin etiquetas porque es muy sensible a los cambios en el índice de refracción de los materiales, dijo Yildirim. Por lo tanto, resuelve los límites entre las estructuras biológicas, como los vasos sanguíneos, las membranas celulares y los espacios extracelulares. Debido a que las formas de las neuronas cambian a medida que se desarrollan, el equipo también pudo ver claramente la delimitación entre la zona ventricular (el área alrededor de los ventrículos donde emergen las neuronas recién nacidas) y la placa cortical (un área en la que emergen las neuronas maduras). . También fue muy fácil resolver varios ventrículos y segmentarlos en regiones separadas.
Estas propiedades permitieron a los investigadores ver que en los organoides del síndrome de Rett, los ventrículos eran más grandes y numerosos, y las zonas ventriculares, los bordes alrededor de los ventrículos donde se originan las neuronas, eran más delgadas. En los organoides vivos, pudieron seguir algunas de las neuronas que se dirigían a la corteza durante unos días, tomando una nueva imagen cada 20 minutos, como también intentan hacer las neuronas en los cerebros reales en desarrollo. Vieron que las neuronas del síndrome de Rett alcanzaban solo alrededor de dos tercios de la velocidad de las neuronas no mutadas. Las rutas de las neuronas Rett también fueron significativamente más onduladas. Las dos diferencias combinadas significaban que las celdas de Rett estaban apenas a la mitad de distancia.
«Ahora queremos saber cómo MECP2 influye en los genes y las moléculas que influyen en la migración neuronal», dijo Sur. «Al evaluar los organoides del síndrome de Rett, tenemos algunas buenas conjeturas, que estamos ansiosos por probar». Yildirim, quien lanzará su propio laboratorio como profesor asistente en el Instituto de Investigación Lerner de la Clínica Cleveland en septiembre, dijo que tenía nuevas preguntas basadas en los hallazgos. Quiere obtener imágenes más adelante en el desarrollo de organoides para rastrear las consecuencias de la migración serpenteante. También quiere saber más sobre si los tipos de células específicas tienen más o menos dificultad para migrar, lo que podría alterar el funcionamiento de los circuitos corticales.
Yildirim también dijo que espera continuar avanzando en la microscopía de tres fotones THG, que considera que tiene potencial para obtener imágenes de grano fino en humanos. Esto puede ser una ventaja significativa en las personas, especialmente por el hecho de que el método de imagen puede penetrar profundamente en el tejido vivo sin necesidad de etiquetas artificiales.
Además de Yildirim, Sur y So, los otros autores del artículo son Chloe Delépine, Danielle Feldman, Vincent Pham, Stephanie Chou, Jacque Pak Kan Ip, Alexi Nott, Li-Huei Tsai y Guo-li Ming.
Los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación JPB y la Iniciativa de Ciencias de la Vida de Massachusetts financiaron la investigación.
Referencia:
- Murat Yildirim, Chloe Delépine, Danielle Feldman, Vincent A Pham, Stephanie Chou, Jacque Ip, Alexi Nott, Li-Huei Tsai, Guo-Li Ming, Peter TC So, Mriganka Sur. Imágenes de tres fotones sin etiquetas de organoides cerebrales humanos intactos para rastrear eventos tempranos en el desarrollo cerebral y déficits en el síndrome de Rett. eLife, 2022; 11 DOI: 10.7554/eLife.78079
