Sondas de imágenes Raman para detectar actividades enzimáticas podrían ayudar en el diagnóstico de enfermedades

Las enzimas juegan un papel crucial en varios procesos biológicos, lo que las convierte en biomarcadores adecuados para la detección de enfermedades. Por ejemplo, el diagnóstico de cáncer a menudo utiliza imágenes de fluorescencia para identificar las enzimas relacionadas con el cáncer que se han multiplicado en las células afectadas por la enfermedad. Dada la naturaleza heterogénea de los tejidos tumorales, ser capaz de detectar múltiples actividades enzimáticas a la vez podría mejorar la precisión de la visualización y el diagnóstico del cáncer. Sin embargo, la detección de múltiples actividades enzimáticas mediante imágenes de fluorescencia puede ser un desafío en tejidos tumorales heterogéneos y otros fenómenos biológicos complejos. La imagen espectral Raman, con su ancho espectral más estrecho, proporciona una alternativa prometedora para la imagen biológica multiplex con sondas moleculares. Con el tiempo, se han desarrollado varias sondas (tintes) Raman funcionales y activables para la detección de bioanalitos, pero su uso para la detección de actividad enzimática ha sido limitado. Además, las estrategias de diseño anteriores no han logrado controlar la difusión del producto de hidrólisis generado por enzimas de estas sondas, lo que dificulta la identificación de áreas con actividad enzimática específica en los tejidos.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por el Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech, Tokio, Japón) ha ideado un nuevo enfoque de diseño molecular, tomando como referencia las sondas fluorescentes basadas en la agregación. El equipo ha desarrollado sondas Raman activables basadas en 9CN-rhodol utilizando un mecanismo novedoso para la activación de señales Raman. Los investigadores han demostrado que las imágenes Raman tienen más potencial para detectar múltiples actividades enzimáticas en comparación con las imágenes de fluorescencia. Esta estrategia innovadora permite la creación de sondas Raman altamente activables que poseen una gran capacidad de agregación y multiplexación, lo que proporciona una herramienta prometedora para ampliar la gama de sondas Raman que pueden detectar múltiples actividades enzimáticas en tejidos biológicos heterogéneos.

Imagen: La sonda Raman altamente sensible detecta la expresión enzimática en tejidos heterogéneos (Fotografía cortesía de Tokyo Tech)

Los investigadores primero sintetizaron derivados de 9CN-rhodol y eligieron dos, 9CN-JR y 9CN-JCR, para diseñar las sondas Raman activables. Probaron las capacidades de detección de enzimas de ambas sondas en células vivas, utilizando una técnica de imagen de dispersión Raman estimulada de dos colores (SRS). Entre los dos, 9CN-JCR superó y demostró ser la sonda más eficaz para la multiplexación. Luego, el equipo marcó con isótopos el grupo nitrilo del andamio 9CN-JCR con carbono-13 (13C) y nitrógeno-15 (15N), y desarrolló dos nuevas sondas 9CN-JCR editadas con isótopos para las enzimas γ-glutamil transpeptidasa y dipeptidil peptidasa-4. Estas sondas basadas en 9CN-JCR detectaron con éxito todas las actividades enzimáticas simultáneamente en el cultivo de células vivas.

Además, las sondas permitieron obtener imágenes ex vivo de áreas celulares específicas que mostraban actividad enzimática específica en el disco alar y el cuerpo graso de las Drosophilas. La alta selectividad espacial y sensibilidad mostradas por las sondas 9CN-JCR se atribuyeron al efecto de prerresonancia electrónica del tinte de andamio y la formación agregada de los productos de hidrólisis formados por la interacción sonda-célula. Estas sondas basadas en rodol podrían agregarse al reaccionar con enzimas, lo que mejoró su retención intracelular y potenció la intensidad de la señal SRS durante la detección de enzimas. En general, el método presentado en este estudio podría respaldar el desarrollo de sondas Raman activables altamente específicas para la detección simultánea de múltiples actividades enzimáticas.

"Nuestra estrategia de diseño molecular basada en agregación para sondas Raman ofrecerá ventajas sustanciales para aplicaciones que involucran la investigación de actividad enzimática asociada con enfermedades y actividades biológicas esenciales", dijo la profesora Mako Kamiya de Tokyo Tech, quien dirigió la investigación.

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Tokyo Tech