El estudio del cerebro sigue siendo uno de los esfuerzos más desafiantes de la neurociencia. Una investigación pionera liderado por el IBEC en colaboración con el ICFO, ha desvelado un método para controlar la actividad cerebral en organismos vivos utilizando fármacos activados por luz infrarroja.
Esta técnica de vanguardia activa un receptor de neurotransmisor específico utilizando luz que puede penetrar profundamente en el tejido y ofrece una precisión farmacológica y espacio-temporal incomparable en tres dimensiones. Los hallazgos, publicados en Angewandte Chemie, abren nuevos ámbitos para la investigación en neurobiología y el desarrollo de terapias de neuromodulación no invasivas basadas en luz.
Esta investigación abre nuevas fronteras para la investigación en neurobiología
Entre los métodos que los investigadores han explorado para obtener imágenes en vivo y estimular la actividad cerebral profunda, se encuentra la excitación multifotónica utilizando luz infrarroja (IR) pulsada. Este tipo de luz es débilmente absorbida por los tejidos y puede penetrar a través de los huesos y penetrar profundamente en órganos como el cerebro. Sin embargo, tiene sus limitaciones para producir imágenes enfocadas y controlar la actividad celular con precisión. Para superar esto, los científicos han estado explorando la excitación de tres fotones con luz IR pulsada ultrarrápida, para lograr imágenes de toda la corteza y la observación de la actividad neuronal. Sin embargo, hasta ahora no se había informado sobre la estimulación neuronal in vivo mediante excitación de tres fotones.
Este estudio ha introducido el primer método para controlar la actividad cerebral en organismos vivos utilizando fármacos activados por excitación de tres fotones y luz infrarroja media. Este método se basa en activar un receptor específico de acetilcolina, un neurotransmisor vital implicado en diversos procesos cerebrales como el aprendizaje, la atención y la memoria.
“Los resultados demuestran que la actividad de los fármacos se puede controlar con la luz infraroja”
Para lograrlo, los investigadores utilizaron una molécula sensible a la luz desarrollada previamente en el IBEC conocida como PAI, que emplea la concentración de fármaco más baja y la longitud de onda de fotoactivación más larga jamás registrada.
“La novedad de estos resultados radica en la demostración de que la actividad de los fármacos se puede controlar con luz IR y que la mayoría de los ligandos fotoconmutables utilizados anteriormente en fotofarmacología con luz ultravioleta y visible son susceptibles a la excitación de tres fotones utilizando luz infrarroja media, que es más suave con los tejidos”, explica el profesor de Investigación ICREA, Pau Gorostiza, líder del proyecto y del grupo de Nanosondas y nanointerruptores del IBEC.
“Además, esta técnica, al ser iluminación IR, brinda la oportunidad de penetrar profundamente en el tejido con resoluciones submicrométricas en las tres dimensiones. En términos simples, significa que podemos localizar la activación justo en el punto focal del rayo láser, iluminándolo externamente a través del cráneo”, afirma el Dr. Pablo Loza-Álvarez , jefe del equipo de Microscopía de Superresolución. y laboratorio de Nanoscopía (SNL) en ICFO.
Esta investigación muestra el potencial de la farmacología de tres fotones
La luz se puede aprovechar para permitir la acción específica de los fármacos en áreas específicas del cuerpo mediante la fotofarmacología. Este enfoque innovador implica modificar la estructura química de un fármaco agregando un interruptor molecular activado por luz, asegurando que el fármaco se active solo cuando se expone a un color de luz particular.
En investigaciones anteriores, los científicos del IBEC intentaron activar PAI utilizando excitación de uno y dos fotones con reversibilidad y control limitados in vivo. En su artículo publicado recientemente, los investigadores recurrieron a la luz IR de longitud de onda más larga y a cálculos teóricos para mejorar la activación de PAI a través de excitaciones multifotónicas. Estos cálculos, realizados por el laboratorio de Josep Maria Lluch y Jordi Hernando en la Universidad Autónoma de Barcelona, sugirieron que la excitación de tres fotones podría ser más eficiente que las alternativas de dos fotones, y que el principio podría ser ampliamente aplicable.
“La primera vez que vimos las respuestas del cerebro quedamos realmente impresionados”
Posteriormente, los investigadores realizaron experimentos in vivo para validar estas predicciones teóricas. Utilizaron larvas de pez cebra modificadas genéticamente para expresar un indicador de calcio fluorescente. La actividad neuronal conduce a fluctuaciones rápidas en el calcio libre intracelular, razón por la cual los indicadores de calcio se emplean comúnmente para visualizar la actividad neuronal.
Este montaje experimental les permitió observar y analizar las alteraciones en los niveles de calcio cuando el cerebro era expuesto a estimulación luminosa mediante excitación de tres fotones: “La primera vez que vimos las respuestas del cerebro quedamos realmente impresionados. Administramos el compuesto PAI en su forma inactiva, que fue absorbido por el cerebro del pez cebra, y cuando lo excitamos con los destellos de tres fotones, todo el cerebro se iluminó. Usando nuestra configuración, pudimos ver claramente la activación de PAI como cambios en la actividad cerebral”, destaca Rosalba Sortino, primera autora del estudio y reciente doctorada en el grupo de Gorostiza en el IBEC.
En su trabajo futuro, los investigadores planean aplicar una estimulación aún más breve y más enfocada para estudiar estas respuestas endógenas en detalle.