Un nanosensor detecta variaciones de temperatura en los músculos de seres vivos

Gracias a un nuevo termosensor basado en nanopartículas, unos investigadores han conseguido revelar mínimas variaciones de temperatura en las fibras musculares de un escarabajo que se prepara para volar (ACS Sens. 2016, DOI: 10.1021/acssensors.6b00320). Este trabajo es uno de los primeros en detectar la temperatura interna de un animal vivo en escala micrométrica.

Poder controlar la temperatura en el mundo microscópico de las células y los organismos vivos podría ayudar a los investigadores a encontrar respuestas a muchas preguntas fundamentales de la fisiología y la biología del desarrollo, incluso podría conducir a terapias antitumorales más precisas. En este caso, los científicos han utilizado moléculas fluorescentes sensibles a la temperatura que pueden observarse fácilmente bajo el microscopio. Pero aplicar este método en muestras vivas plantea retos adicionales. En primer lugar, algunas biomoléculas naturales –como ciertas coenzimas y otras proteínas—pueden producir su propia fluorescencia, generando ruido de fondo. Además, cuando las células se mueven bajo un microscopio de fluorescencia, se desenfocan, generando aún más ruido.

Para esquivar estos problemas, Madoka Suzuki de la Universidad Waseda y sus colegas, entre ellos Hirotaka Sato de la Universidad Tecnológica de Nanyang, decieron sintetizar una sonda química que contiene dos pigmentos fluorescentes distintos: uno llamado EuDT, sensible a las altas temperaturas, y rodamina-800, sensible a temperaturas más bajas y usado como referencia. La intensidad del brillo del EuDT varía con la temperatura entre 21.5 y 44 °C, mientras que la rodamina 800 apenas cambia su fluorescencia en ese rango. Este sistema consigue combatir las dos fuentes de ruido. Los pigmentos emiten una luz rojiza, diferente a la fluorescencia generada de forma natural por las células (generalmente azul y verde) lo que evita la superposición entre ellas. Por último, se determina la temperatura midiendo la relación entre las dos señales eliminando el ruido debido al movimiento de la muestra.

Para crear esta sonda química, los investigadores encapsularon los tintes fluorescentes en nanopartículas poliméricas, y comprobaron que la relación entre sus emisiones está fuertemente correlacionada con la temperatura. Después, el equipo probó las nanopartículas en un animal vivo. Anteriormente, otros investigadores habían medido la temperatura en escala micrométrica en nematodos y larvas de moscas de la fruta, pero en estos estudios se medían cambios de temperatura inducidos de manera externa, como por ejemplo al calentar las muestras con láser. Para ver si podían monitorizar la producción de calor en los músculos de animales algo más grandes, Suzuki y sus colegas decidieron estudiar escarabajos de la especie Dicronorrhinaderbyana, de unos 4 centímetros de largo.

Para detectar la respuesta al cambio de temperatura en el escarabajo, los investigadores lo inmovilizaron un palo, y eliminaron la cutícula que recubre los músculos de su hombro. Extendieron el sensor a base de nanopartículas sobre la superficie del músculo, y luego excitaron los brazos del escarabajo con descargas eléctricas que generaban una respuesta muscular similar a la de preparación para el vuelo, y suficiente cambio de temperatura como para ser detectado por fluorescencia. Sus resultados muestran la variación de temperatura con una resolución espacial muy superior a la que puede detectarse con una cámara infrarroja. Con las nanopartículas observan cómo la temperatura parece cambiar a lo largo de una fibra muscular, dice Suzuki.

En este estudio, los investigadores monitorizaron la fluorescencia de áreas de 68 μm², pero Suzuki dice que la técnica podría funcionar en áreas tan pequeñas como 200 nm, lo que permitiría a los investigadores ver fuentes de calor dentro de las células, como las mitocondrias u otros orgánulos. Esta técnica podría incluso aplicarse a otros animales como ratones, dice.

Peter Maurer, un físico que desarrolla técnicas de imagen nanoscópicas en la Universidad de Stanford dice que es “un hito excepcional” poder medir la temperatura de un organismo vivo en escala micrométrica, y que este estudio es un gran avance en esa dirección. El método “puede implementarse fácilmente y es relativamente robusto ante varias fuentes de errores sistemáticos, lo que lo hace ideal para muchas aplicaciones biológicas,” añade.

Traducción al español producida por Fernando Gomollón Bel de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.