Hora de la muerte: nueva tecnología necesaria para una mayor precisión

Para los investigadores que estudian la neurodegeneración, esta falta de una declaración precisa del “momento de la muerte” de las neuronas hace que sea difícil precisar qué factores conducen a la muerte celular y detectar medicamentos que podrían evitar que las células envejecidas mueran.              

Ahora, los investigadores de los Institutos Gladstone han desarrollado una nueva tecnología que les permite rastrear miles de células a la vez y determinar el momento preciso de la muerte de cualquier célula del grupo. El equipo demostró, en un artículo publicado en la revista Nature Communications, que el enfoque funciona en células humanas y de roedores, así como en el pez cebra vivo, y puede usarse para seguir las células durante un período de semanas a meses.

"Obtener una hora precisa de la muerte es muy importante para desentrañar la causa y el efecto en las enfermedades neurodegenerativas", dice Steve Finkbeiner, MD, PhD, director del Centro de Sistemas y Terapéutica de Gladstone y autor principal de ambos nuevos estudios. "Nos permite averiguar qué factores están causando directamente la muerte celular, cuáles son incidentales y cuáles podrían ser mecanismos de afrontamiento que retrasan la muerte".

En un artículo complementario publicado en la revista Science Advances, los investigadores combinaron la tecnología de sensores celulares con un enfoque de aprendizaje automático, enseñando a una computadora cómo distinguir células vivas y muertas 100 veces más rápido y con mayor precisión que un humano.

"A los estudiantes universitarios les tomó meses analizar este tipo de datos a mano, y nuestro nuevo sistema es casi instantáneo; en realidad, funciona más rápido de lo que podemos adquirir nuevas imágenes en el microscopio", dice Jeremy Linsley, PhD, líder del programa científico en Finkbeiner's lab y el primer autor de ambos artículos nuevos.

Enseñar nuevos trucos a un sensor antiguo

Cuando las células mueren, sea cual sea la causa o el mecanismo, eventualmente se fragmentan y sus membranas se degeneran. Pero este proceso de degradación lleva tiempo, lo que dificulta a los científicos distinguir entre las células que dejaron de funcionar hace mucho tiempo, las que están enfermas y moribundas y las que están sanas.

Los investigadores suelen utilizar etiquetas o tintes fluorescentes para seguir a las células enfermas con un microscopio a lo largo del tiempo y tratar de diagnosticar dónde se encuentran dentro de este proceso de degradación. Se han desarrollado muchos tintes indicadores, tintes y etiquetas para distinguir las células ya muertas de las que todavía están vivas, pero a menudo solo funcionan durante períodos cortos de tiempo antes de desvanecerse y también pueden ser tóxicos para las células cuando se aplican.

“Realmente queríamos un indicador que dure toda la vida de una célula, no solo unas pocas horas, y luego dé una señal clara solo después del momento específico en que muere la célula”, dice Linsley.

Linsley, Finkbeiner y sus colegas optaron por sensores de calcio, originalmente diseñados para rastrear los niveles de calcio dentro de una célula. Cuando una célula muere y sus membranas pierden agua, un efecto secundario es que el calcio se precipita hacia el citosol acuoso de la célula, que normalmente tiene niveles relativamente bajos de calcio.

Entonces, Linsley diseñó los sensores de calcio para que residieran en el citosol, donde emitirían fluorescencia solo cuando los niveles de calcio aumentaran a un nivel que indica la muerte celular. Los nuevos sensores, conocidos como indicador de muerte codificado genéticamente (GEDI, pronunciado como Jedi en Star Wars), podrían insertarse en cualquier tipo de célula y señalar que la célula está viva o muerta durante toda su vida útil.

Para probar la utilidad de los sensores rediseñados, el grupo colocó grandes grupos de neuronas, cada una con GEDI, bajo el microscopio. Después de visualizar más de un millón de células, en algunos casos propensas a la neurodegeneración y en otros expuestas a compuestos tóxicos, los investigadores encontraron que el sensor GEDI era mucho más preciso que otros indicadores de muerte celular: no hubo un solo caso en el que el sensor estuviera activado y una célula permaneció viva. Además, además de esa precisión, GEDI también pareció detectar la muerte celular en una etapa más temprana que los métodos anteriores, cerca del "punto sin retorno" de la muerte celular.

"Esto le permite separar las células vivas y muertas de una manera que nunca antes había sido posible", dice Linsley.

Detección de muerte sobrehumana

Linsley mencionó GEDI a su hermano, Drew Linsley, PhD, profesor asistente en la Universidad de Brown que se especializa en aplicar inteligencia artificial a datos biológicos a gran escala. Su hermano sugirió que los investigadores usaran el sensor, junto con un enfoque de aprendizaje automático, para enseñar a un sistema informático a reconocer células cerebrales vivas y muertas basándose únicamente en la forma de la célula.

El equipo combinó los resultados del nuevo sensor con datos de fluorescencia estándar en las mismas neuronas, y enseñaron a un modelo informático, llamado BO-CNN, a reconocer los patrones de fluorescencia típicos asociados con el aspecto de las células moribundas. El modelo, demostraron los hermanos Linsley, tenía una precisión del 96 por ciento y era mejor que lo que pueden hacer los observadores humanos, y era más de 100 veces más rápido que los métodos anteriores para diferenciar células vivas y muertas.

“Para algunos tipos de células, es extremadamente difícil para una persona saber si una célula está viva o muerta, pero nuestro modelo informático, al aprender de GEDI, pudo diferenciarlas en función de partes de las imágenes que no conocíamos anteriormente. fueron útiles para distinguir las células vivas y muertas ”, dice Jeremy Linsley.

Tanto GEDI como BO-CNN permitirán ahora a los investigadores realizar nuevos estudios de alto rendimiento para descubrir cuándo y dónde mueren las células cerebrales, un criterio de valoración muy importante para algunas de las enfermedades más importantes. También pueden detectar medicamentos por su capacidad para retrasar o evitar la muerte celular en enfermedades neurodegenerativas. O, en el caso del cáncer, pueden buscar medicamentos que aceleren la muerte de las células enfermas.

“Estas tecnologías cambian las reglas del juego en nuestra capacidad para comprender dónde, cuándo y por qué ocurre la muerte en las células”, dice Finkbeiner. “Por primera vez, realmente podemos aprovechar la velocidad y la escala que proporcionan los avances en la microscopía asistida por robot para detectar con mayor precisión la muerte celular y hacerlo mucho antes del momento de la muerte. Esperamos que esto pueda conducir a terapias más específicas para muchas enfermedades neurodegenerativas que hasta ahora no han sido curables ”.