Para biólogos, ver para crer. Mas, às vezes, eles têm dificuldade em enxergar. Um desafio particularmente complexo é ver todas as moléculas em uma amostra de tecido intacto, até o nível de células individuais, simultaneamente. Detectar a localização de centenas ou milhares de biomoléculas — de lipídios a metabólitos e proteínas — em seu ambiente nativo permite que os pesquisadores entendam melhor suas funções e interações. Infelizmente, os cientistas não dispõem de excelentes ferramentas para realizar essa tarefa.

Agora, uma equipe de pesquisa multidisciplinar desenvolveu um método de expansão de tecidos que permite aos cientistas usar imagens de espectrometria de massa para detectar simultaneamente centenas de moléculas no nível de uma única célula em seus locais nativos. O artigo foi publicado na revista Nature Methods .

Métodos de imagem, incluindo a maioria dos tipos de microscopia, fornecem uma visão das moléculas dentro das células. Mas eles conseguem rastrear apenas um punhado seleto de moléculas por vez e não conseguem detectar todos os tipos de biomoléculas, incluindo alguns lipídios. Outros métodos, como a espectrometria de massas convencional, conseguem detectar centenas de moléculas, mas não funcionam em amostras intactas, de modo que os pesquisadores não conseguem ver como as biomoléculas estão orientadas.

Uma técnica promissora — a imagem por espectrometria de massas — supera alguns desses desafios. Ela permite que os pesquisadores vejam centenas de moléculas simultaneamente em tecidos intactos. No entanto, não possui resolução alta o suficiente para permitir a detecção em nível de célula única.

Esse foi o problema que Meng Wang, Líder Sênior do Grupo Janelia, enfrentou. Wang e sua equipe estudam os mecanismos fundamentais por trás do envelhecimento e da longevidade e queriam detectar muitas biomoléculas diferentes em tecidos intactos para entender como os componentes mudam com o envelhecimento dos tecidos.

Felizmente, o laboratório de Wang fica no mesmo corredor do laboratório do cientista principal do Janelia, Paul Tillberg. Tillberg foi um dos inventores de uma técnica chamada microscopia de expansão quando era aluno de pós-graduação no MIT. O método utiliza um material de hidrogel intumescente para expandir amostras uniformemente em todas as direções, até um ponto em que detalhes finos, como a estrutura de suborganelas, podem ser detectados com um microscópio convencional.

Com uma década de existência, o processo de expansão está sendo aplicado a outros métodos além da microscopia tradicional. Wang, Tillberg e seus colaboradores na Janelia e na Universidade de Wisconsin-Madison queriam ver se conseguiriam usar a expansão para superar o problema de resolução espacial das imagens de espectrometria de massa.

O resultado é um novo método que expande amostras de tecido gradualmente sem precisar degradá-las em nível molecular, como ocorre no processo de expansão original. Ao expandir as amostras intactas em todas as direções, os pesquisadores podem usar imagens de espectrometria de massa para detectar simultaneamente centenas de moléculas em nível de célula única em seus locais nativos.

"Isso permite que você tenha uma visão não direcionada do espaço molecular, e estamos tentando aproximá-lo do que a microscopia pode fazer em termos de resolução espacial", diz Tillberg.

A equipe utilizou a nova técnica para delinear os padrões espaciais específicos de pequenas moléculas em diferentes camadas do cerebelo. Eles descobriram que essas moléculas — incluindo lipídios, peptídeos, proteínas, metabólitos e glicanos — não estão uniformemente distribuídas, como se pensava anteriormente. Além disso, descobriram que cada camada específica do cerebelo possui sua própria assinatura de lipídios, metabólitos e proteínas.

A equipe também conseguiu detectar biomoléculas em tecidos renais, pancreáticos e tumorais, demonstrando que o método pode ser adaptado para diversos tipos de tecidos. Em tecidos tumorais , eles conseguiram visualizar grandes variações nas biomoléculas, o que pode ser útil para a compreensão dos mecanismos moleculares dos tumores e, potencialmente, auxiliar no desenvolvimento de medicamentos.

"Quando você consegue ver essas biomoléculas, começa a entender por que elas têm esses padrões e como isso se relaciona com a função", diz Wang. Ela acredita que a nova tecnologia permitirá que os pesquisadores monitorem esses padrões durante o desenvolvimento, o envelhecimento e a doença, para entender como diferentes moléculas contribuem para esses processos.

Como o novo método não requer a adição de hardware a um sistema de imagem por espectrometria de massa existente e a técnica de expansão é relativamente fácil de aprender, a equipe espera que ele seja utilizado por muitos laboratórios ao redor do mundo. Eles também esperam que a nova técnica torne a imagem por espectrometria de massa uma ferramenta mais útil para biólogos e elaboraram uma descrição detalhada do novo método e um roteiro para adaptá-lo a outros tipos de tecido.

"Queríamos desenvolver algo que não exigisse instrumentos ou procedimentos especializados, mas que pudesse ser amplamente adotado", diz Wang.