Un instrumento único en su tipo puede mostrar estructuras celulares interactuando en tiempo real con alta resolución sin etiquetas fluorescentes, lo que potencialmente permitirá avances en una variedad de campos de las ciencias de la vida

Fuente: Stanford

La visión dentro de las células vivas ahora es mejor.

Los investigadores de Stanford han combinado dos técnicas de microscopía para crear un instrumento único que puede mostrar estructuras celulares interactuando en tiempo real con una resolución sin precedentes de 120 nanómetros: la más alta lograda sin el uso de etiquetas fluorescentes.

Esta nueva tecnología «sin etiquetas», denominada Microscopía Interferométrica de Barrido de Imágenes (iISM), permitirá a los científicos observar las estructuras celulares en su contexto más amplio, incluyendo sus respuestas a intrusiones, como patógenos o fármacos. El avance se detalla en la revista Light: Science and Applications de la cartera de Nature .

“Este nuevo microscopio ofrece una fantástica perspectiva de la célula, donde se pueden observar las diminutas estructuras y máquinas celulares moviéndose, cambiando e interactuando sin necesidad de fluorescencia”, afirmó el autor principal,  WE Moerner , profesor de Química Harry S. Mosher en la  Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford . “Es una visión maravillosa de estas complejas estructuras celulares que impulsan nuestra vida”.

Las capacidades del iISM podrían permitir avances en una variedad de campos de las ciencias de la vida, desde la comprensión de los mecanismos de las enfermedades y el desarrollo de medicamentos hasta la investigación de las relaciones entre plantas y microbios.

Si bien la resolución no es tan alta como la de otros microscopios especializados, el método sin marcadores de iISM ofrece numerosas ventajas: permite a los investigadores observar muchas estructuras simultáneamente durante largos periodos de observación. Por el contrario, los métodos que utilizan la fluorescencia para marcar estructuras suelen destacar solo unas pocas estructuras objetivo a la vez. La fluorescencia puede eventualmente «decolorarse» o desaparecer. Estos marcadores también pueden ser difíciles de introducir y, en algunos casos, pueden alterar el comportamiento de las estructuras que marcan.

El iISM también puede funcionar con una potencia de iluminación sustancialmente menor que los enfoques comparables de alto contraste sin etiquetas, lo que reduce el riesgo de fotodaño en las células vivas y hace que sea menos probable que altere las pequeñas y delicadas estructuras que se observan.

Esto no significa que el nuevo microscopio reemplazará el uso de la microscopía de fluorescencia, que ha aportado conocimientos a las ciencias de la vida durante décadas, dijo la primera autora Michelle Kueppers, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Moerner.

“Cada método tiene sus ventajas y desventajas, y creemos en una implementación complementaria en el futuro”, afirmó Kueppers. “Si aprovechamos las ventajas de la fluorescencia para la especificidad molecular y la potencia del iISM para el contexto y la dinámica sin marcadores, realmente podemos empezar a abordar cuestiones que antes eran difíciles de abordar”.

Muchos ‘ojos’ en el mismo punto

El iISM logra una mayor resolución y sensibilidad al combinar las ventajas de dos métodos de microscopía diferentes, una combinación que demuestra la experiencia de los dos coautores. Moerner, ganador del Premio Nobel de Química en 2014 por su trabajo en microscopía de fluorescencia de superresolución, buscó específicamente traer a Kueppers a Stanford debido a su trabajo doctoral centrado en la microscopía de dispersión interferométrica.

La dispersión es lo que hace que el cielo se vea azul. Cuando la luz incide en partículas pequeñas, como cuando la luz solar atraviesa la atmósfera y se topa con polvo, gotas de agua y otras moléculas, se desvía de su trayectoria y se dispersa en diferentes direcciones. Las partículas de la atmósfera terrestre dispersan las ondas cortas de luz azul con mayor intensidad que la luz roja, por lo que el cielo se ve azul a simple vista.

En el microscopio de dispersión interferométrica, un láser incide sobre una célula y las diminutas estructuras internas dispersan parte de la luz. Un segundo haz láser amplifica la luz dispersa, más débil, haciéndola lo suficientemente intensa como para detectarla y visualizar las pequeñas estructuras.

El avance clave del iISM reside en la combinación del método de dispersión interferométrica con un concepto adaptado de los microscopios confocales de nueva generación. Mientras que los microscopios confocales tradicionales utilizan un orificio y un único detector para enfocar las estructuras objetivo, las versiones avanzadas de estos microscopios utilizan detectores de matriz basados ​​en cámaras, que pueden capturar múltiples vistas de la misma área.

Para el iISM, los investigadores de Stanford utilizaron un tipo de detector de matriz que permite captar más luz que el modelo de agujero estenopeico y detector único. Esto proporciona mayor profundidad y precisión. Funciona de forma similar a cómo dos ojos humanos captan información para distinguir el primer plano del fondo, solo que el iISM no utiliza solo dos «ojos», sino decenas o cientos de imágenes de un detector de matriz. Posteriormente, los investigadores desarrollaron un método para combinar estas mediciones en imágenes más nítidas y con mayor contraste.

El resultado es un microscopio sin etiquetas capaz de alcanzar una resolución de aproximadamente 120 nanómetros mientras utiliza menos potencia láser y mantiene la velocidad de obtención de imágenes, lo que significa que los investigadores pueden observar células vivas durante más tiempo y con mayor delicadeza.

Amplia visión para amplias aplicaciones

Moerner y Kueppers ahora están trabajando para mejorar aún más esta tecnología y ponerla ampliamente disponible para otros científicos.

Ya han iniciado tres colaboraciones con otros investigadores de Stanford. Una utiliza el nuevo microscopio para observar la interacción entre células vegetales, hongos y bacterias en tiempo real. Otra utiliza el iISM para observar cómo una célula absorbe un fármaco contra el cáncer, y una tercera iniciativa planeada investigará cómo los glóbulos rojos cambian de forma al enfrentarse a una infección de malaria.

“Esta no es una técnica de nicho”, afirmó Kueppers. “Tiene amplias aplicaciones, y esperamos que sea de gran utilidad para la comunidad de las ciencias de la vida, dando lugar a numerosos descubrimientos nuevos.