Casi 150 años atrás, los científicos comenzaron a imaginar cómo podría fluir la información a través del cerebro basándose en las formas de las neuronas que habían observado bajo los microscopios de la época. Con las tecnologías de imagen actuales, se pueden observar detalles más pequeños, como las sinapsis a través de las cuales las neuronas se comunican, e incluso las moléculas que las células utilizan para transmitir sus mensajes. Estas visiones internas pueden inspirar nuevas ideas sobre cómo funcionan los cerebros sanos y revelar cambios importantes que contribuyen a enfermedades.
Esta visión más clara de la biología no se debe solo a los avances que han hecho los microscopios más potentes que nunca. Aplicando una metodología desarrollada en el laboratorio del investigador Edward Boyden, del Instituto McGovern de Investigación del Cerebro del MIT, investigadores de todo el mundo están utilizando muestras que han sido hinchadas hasta 20 veces su tamaño original, permitiendo ver con más claridad sus características más finas.
Los orígenes de la microscopía de expansión
Para desarrollar la microscopía de expansión, Boyden y su equipo recurrieron a hidrogeles, materiales con propiedades asombrosas para absorber agua, que ya se habían utilizado en productos prácticos como los pañales desechables. Su hipótesis era que los hidrogeles podrían mantener su estructura mientras absorbían cientos de veces su peso original en agua, expandiendo el espacio entre sus componentes químicos al hincharse.
Después de varias pruebas, el equipo de Boyden estableció cuatro pasos clave para aumentar el tamaño de las muestras de tejido para una mejor imagen. Primero, el tejido debe ser impregnado con un hidrogel. Los componentes del tejido, biomoléculas, se anclan a la matriz en forma de red del gel, vinculándolos directamente a las moléculas que componen el gel. Luego, el tejido se ablanda químicamente y se añade agua. A medida que el hidrogel absorbe el agua, se hincha y el tejido se expande, creciendo de forma uniforme para que se conserven las posiciones relativas de sus componentes.
La primera publicación del equipo de Boyden sobre la microscopía de expansión apareció en 2015 en la revista Science. En ella, demostraron que al separar moléculas que estaban amontonadas dentro de las células, características que se habrían difuminado bajo un microscopio de luz estándar se convirtieron en separadas y distintas. Los microscopios de luz pueden discriminar entre objetos que están separados por unos 300 nanómetros, un límite impuesto por las leyes de la física. Con la microscopía de expansión, el grupo de Boyden informó una resolución efectiva de aproximadamente 70 nanómetros, logrando una expansión cuádruple.
Boyden afirma que este nivel de claridad es fundamental para los biólogos. «La biología, al final, es una ciencia fundamentalmente a escala nanométrica», dice. «Las biomoléculas son nanométricas, y las interacciones entre biomoléculas ocurren a distancias nanométricas. Muchos de los problemas más importantes en biología y medicina involucran preguntas a escala nanométrica.»
Desde la introducción de la microscopía de expansión en 2015, grupos de investigación en todo el mundo han publicado cientos de trabajos reportando descubrimientos realizados con esta técnica, que ha iluminado las complejidades de los circuitos neuronales, expuesto cómo se organizan ciertas proteínas en las sinapsis y descubierto cambios asociados con el envejecimiento y enfermedades.
La accesibilidad de la microscopía de expansión es particularmente importante en áreas donde los recursos son limitados, permitiendo que investigadores en lugares como África, América del Sur y Asia accedan a imágenes de superresolución sin necesidad de equipos sofisticados. Esto ha sido fundamental en el campo de la parasitología, donde la investigación avanza con rapidez.
Desde 2015, el grupo interdisciplinario de Boyden ha encontrado diversas maneras creativas de mejorar la microscopía de expansión y usarla de nuevas maneras. Su técnica estándar actual permite un mejor etiquetado, factores de expansión más grandes y una imagen de mayor resolución. Las características celulares que están a menos de 20 nanómetros de distancia pueden ahora separarse lo suficiente como para aparecer distintas bajo un microscopio de luz.
Con el tiempo, se espera que la microscopía de expansión continúe evolucionando, optimizándose para diferentes problemas y haciéndose más rápida y económica. La promesa de esta técnica radica en su capacidad para permitir a los científicos explorar la biología a un nivel de detalle sin precedentes, ofreciendo nuevas oportunidades para el descubrimiento y la innovación en el campo de la ciencia.
