Visualización de las estructuras celulares en tres dimensiones en cuestión de minutos
Los investigadores trabajan en un proceso rápido para obtener imágenes en 3D de las células
Los patógenos virales como el coronavirus SARS-CoV-2 cambian la estructura interior de las células que infectan. Estos cambios se producen a nivel de los componentes celulares individuales -los orgánulos- y pueden aportar información sobre cómo se desarrollan las enfermedades víricas. Para visualizarlos se necesitan técnicas de imagen muy potentes, pero estos métodos requieren muchos datos y tiempo. Un equipo de investigación germano-estadounidense dirigido por la Dra. Venera Weinhardt en el Centro de Estudios Organísticos (COS) de la Universidad de Heidelberg ha optimizado recientemente un proceso especial de rayos X -conocido como tomografía de rayos X blandos- para obtener imágenes tridimensionales de alta resolución de células enteras y su estructura molecular en tan sólo unos minutos.
Célula del epitelio pulmonar humano 24 horas después de la infección viral del SARS-CoV-2. Los orgánulos celulares secuestrados están marcados con un asterisco.
Venera Weinhardt (COS)
"Los microscopios electrónicos de barrido son los preferidos para la obtención de imágenes celulares porque proporcionan imágenes a nanoescala extremadamente nítidas", explica Venera Weinhardt, postdoctorante en el COS y en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de Berkeley (EE.UU.). "Pero esta tecnología tarda una buena semana en escanear una célula individual. Además, genera una enorme cantidad de datos que resulta desalentador analizar e interpretar. Con la tomografía de rayos X blandos, obtenemos resultados utilizables en cinco o diez minutos". El alto rendimiento es extremadamente importante para estudiar numerosas células, según el virólogo molecular Prof. Dr. Ralf Bartenschlager, cuyo departamento en el Hospital Universitario de Heidelberg colabora con el Dr. Weinhardt en la obtención de imágenes de los cambios celulares asociados a las infecciones virales. En los tejidos, añade el científico, a menudo sólo algunas de las células están infectadas. Sólo esas células proporcionan información sobre los cambios que resultan directamente de la infección. Sin embargo, buscar estas células con un microscopio electrónico de barrido no es posible.
El procedimiento conocido como tomografía de rayos X blandos (SXT) ya se ha utilizado con éxito para detectar partículas virales individuales -llamadas viriones- de diferentes tipos de virus y sus cambios asociados en las células. Ahora los investigadores utilizaron esta tecnología para estudiar cultivos celulares infectados con el SARS-CoV-2 a partir de tejido pulmonar y renal. Los rayos X blandos les permitieron obtener imágenes de células completas y de su estructura en tres dimensiones en cinco o diez minutos. Los investigadores pudieron además detectar grupos de partículas de SARS-CoV-2 en la superficie de las células, así como identificar los cambios asociados al virus en el interior de las mismas. Se revelaron estructuras que posiblemente permiten la replicación y propagación del virus.
Según el Dr. Weinhardt, el éxito del equipo dependió en gran medida de la tecnología que les permitió estudiar células fijadas, es decir, células que habían sido tratadas químicamente para desactivar el virus. Normalmente, en la tomografía de rayos X blandos, al igual que en la tomografía de electrones, se utilizan estructuras reticulares planas como soportes. Cuando se inclinan, el grosor de las muestras puede cambiar, haciendo que algunas estructuras celulares aparezcan borrosas. También se producen puntos "ciegos" porque la forma plana del soporte impide escanear las células en todos los ángulos. Otro dilema es que las muestras pueden adherirse a la red o extenderse, lo que hace necesario realizar varios tomogramas para visualizar toda la célula. "Para sortear este problema, cambiamos a capilares cilíndricos de vidrio de pared fina para sujetar las muestras. Durante la microscopía, las muestras pueden girar 360 grados y ser escaneadas desde todos los ángulos", explica el investigador. El equipo trabaja ahora en el perfeccionamiento de las técnicas de preparación de muestras, la automatización del análisis de los datos de las imágenes 3D y el desarrollo de una versión de laboratorio de un microscopio de rayos X blandos.
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