En el campo de la biología y la medicina, la capacidad para visualizar la distribución espacial de biomoléculas dentro de los tejidos es fundamental para comprender la fisiología y patología de organismos multicelulares. Desde ácidos nucleicos hasta lípidos, proteínas y metabolitos, todas estas moléculas desempeñan un rol integral en la función celular y la comunicación intercelular. Sin embargo, una limitación técnica histórica ha sido la dificultad para analizar con alta precisión y resolución espacial biomoléculas distintas del ácido nucleico, particularmente en tejidos complejos. En este contexto, TEMI, acrónimo de Tissue-Expansion Mass-spectrometry Imaging, surge como una innovadora metodología que promete revolucionar la imagen molecular gracias a la combinación de la expansión física del tejido con avanzadas técnicas de espectrometría de masas por desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI-MSI). La base conceptual de TEMI radica en la amplificación física del tejido para mejorar la resolución espacial de la imagen molecular.
Tradicionalmente, los métodos de imagen por espectrometría de masas han estado limitados a resoluciones espaciales relativamente gruesas, habitualmente mayores a 50 µm, lo que impide identificar perfiles biomoleculares de células individuales. TEMI supera esta barrera mediante un proceso controlado de expansión del tejido, aplicado sin recurrir a tratamientos agresivos que puedan comprometer la integridad molecular. El proceso comienza con la fijación del tejido seguido de su anclaje químico en un hidrogel polimérico creado in situ. A diferencia de otros métodos que aplican proteólisis, detergentes o altas temperaturas para promover la expansión, TEMI opta por una aproximación suave y libre de denaturación, conservando así la integridad molecular y las interacciones nativas proteínas-metabolitos. Este enfoque evita la pérdida significativa de moléculas biomarcadoras y, al mismo tiempo, permite una expansión isotrópica controlada, generalmente entre 2.
5 y 3.5 veces el tamaño original, multiplicando la resolución espacial efectiva y revelando detalles moleculares que antes eran invisibles. Una curiosidad clave de TEMI es su compatibilidad total con la espectrometría de masas por desorción/ionización láser asistida por matriz. La técnica MALDI permite mapear cientos de biomoléculas, tales como lípidos, péptidos, metabolitos y glicanos, de forma simultánea y sin la necesidad de etiquetas. En tejido expandido, la capacidad para realizar escaneos con un tamaño de punto láser reducido pero manteniendo un tiempo de adquisición aceptable mejora el detalle y la calidad de la imagen, facilitando un análisis multi-ómico espacial a nivel celular.
Las primeras aplicaciones experimentales con tejido cerebeloso de ratón destacaron cómo TEMI distingue las capas funcionales cerebelosas, como la capa molecular, la capa de células granuladas y la sustancia blanca, con una claridad sin precedentes. Especies lipídicas específicas, como distintas variantes de la fosfatidilcolina, fueron identificadas como marcadores de estas regiones, evidenciando la heterogeneidad lipidómica intrínseca del tejido nervioso, información invaluable para neurobiología y neuropatología. Además, el incremento en la resolución espacial logrado con TEMI permitió la visualización de células Purkinje individuales, células neurales cruciales en la función motora, que exhibieron firmas lipídicas moleculares específicas. Esta resolución a nivel unicelular es un avance notable que no es alcanzable con las técnicas convencionales de imágenes por espectrometría de masas sin la expansión física del tejido. Otra ventaja diferencial de TEMI es la preservación de metabolitos pequeños y glicanos durante el proceso de expansión, un reto común debido a su naturaleza móvil y hidrosoluble.
TEMI demostró que, incluso para metabolitos esenciales, como la colina y 2-araquidonilglicerol, el método mantiene la localización espacial, brindando un panorama más completo y preciso del microambiente metabólico celular y tisular. Los beneficios no se limitan al sistema nervioso. Aplicado a modelos tumorales murinos, TEMI expuso una heterogeneidad metabólica clara, segmentando la masa tumoral en múltiples regiones moleculares dominantes, contrastando con una división mucho más grosera en tejidos no expandidos. Esta capacidad para mapear la diversidad metabólica tumoral in situ posiciona a TEMI como una herramienta prometedora para el estudio de la biología del cáncer, potencialmente útil para caracterización tumoral, diagnóstico y seguimiento terapéutico. El protocolo TEMI también es adaptable a diferentes órganos, como riñón y páncreas de ratón, demostrando una aplicabilidad muy amplia.
La expansión controlada asegura que las deformaciones del tejido son mínimas y medibles, con errores inferiores al 12%, lo que garantiza fiabilidad en la interpretación espacial de las imágenes obtenidas. En términos técnicos, TEMI se basa en una serie de pasos meticulosos que incluyen la incubación del tejido con AcX para fijar proteínas al hidrogel, seguido de múltiples rondas de polimerización y expansión en un tampón isotónico, preservando la estructura tridimensional sin daños significativos. Es vital el ajuste cuidadoso de la temperatura y condiciones de crioseccionado, ya que la presencia de la capa de hidrogel puede interferir con la ionización MALDI si no se prepara adecuadamente. También es importante evitar tintes que reaccionen con aminoácidos esenciales si se busca detallar péptidos o proteínas, para mantener su integridad molecular durante el análisis. Para la adquisición de datos, TEMI se implementa con espectrómetros de alta precisión, capaces de lograr una resolución mayor a 40 000, con una alta relación señal-ruido y precisión en masa inferior a 5-10 ppm, lo que facilita la identificación confiable de biomoléculas específicas.
La combinación con análisis de datos estadísticos avanzados, como clustering por bisecting k-means, permite segmentar espacialmente las regiones moleculares en función de su perfil espectral. De cara al futuro, TEMI abre un camino excitante para la expansión multimodal de las imágenes moleculares. Su compatibilidad con diferentes modalidades de MSI, como desorción electrospray o ablación láser electrospray, y su potencial para combinarse con técnicas ópticas y de inmunohistoquímica con etiquetas conjugadas sensibles a la masa, exponen un panorama donde la resolución espacial y química se unen para desvelar la compleja organización molecular de los tejidos en contextos sanos y enfermos. A pesar de sus múltiples ventajas, TEMI enfrentará desafíos asociados con la disminución de densidad molecular a medida que la expansión crece, lo que puede limitar la señal en moléculas poco abundantes. Por ello, continúan las investigaciones para mejorar la retención y anclaje de moléculas pequeñas y la optimización de parámetros experimentales, así como el desarrollo de réplicas digitales que compensen la deformación residual del tejido expandido.
En resumen, TEMI representa una convergencia innovadora de bioquímica, física y tecnología analítica, proporcionando una plataforma robusta y accesible para la exploración espacial profunda de biomoléculas en tejidos complejos. Sus aplicaciones abarcan desde la neurociencia, pasando por la oncología, hasta la metabolómica y proteómica, apoyando el avance del conocimiento biomédico y la medicina de precisión. Gracias a su diseño sencillo, sin necesidad de equipamientos prohibitivos, se perfila como una técnica que democratizará el acceso a imágenes moleculares de alta resolución, acelerando descubrimientos relevantes y aportando nuevas perspectivas en la investigación biomolecular.
