Un concepto para un nuevo microscopio de rayos X promete imágenes tridimensionales de objetos delicados como células biológicas que utilizan una radiación mil veces menos dañina que los métodos convencionales. El nuevo microscopio permitiría obtener imágenes de células completas a alta resolución en su entorno nativo, sin congelar, cortarlos o mancharlos. Los científicos de DESY Pablo Villanueva-Perez, Saša Bajt y Henry Chapman del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) presentan su concepto en la revista Optica . El estudio de simulación ofrece una perspectiva brillante para la actualización planificada del anillo de almacenamiento PETRA III de DESY a una fuente de rayos X de próxima generación. PETRA IV.

La obtención de imágenes de las estructuras de las células biológicas en la escala nanométrica generalmente requiere rayos X, ya que sus cortas longitudes de onda permiten resolver los pequeños detalles. "Sin embargo, Los rayos X también depositan energía que daña rápidamente las muestras biológicas, ", dice Villanueva-Pérez. La rapidez con la que se produce el daño por radiación depende de las características del objeto en estudio y de la energía de los rayos X utilizados, pero en la práctica es el factor limitante para la resolución y la sensibilidad de las técnicas de imágenes de rayos X actuales.

Las imágenes de rayos X pueden formarse por diversos medios. Las radiografías familiares de dientes o huesos rotos dependen de la absorción:el hueso denso deja una sombra oscura en la imagen donde se absorben los fotones de rayos X. Un microscopio de rayos X construido para imágenes de células generalmente depende de la dispersión elástica de los rayos X en la muestra para lograr imágenes de una resolución mucho más alta. Esto es similar a cómo se forman las imágenes en un microscopio óptico. Aunque la dispersión elástica de rayos X no transfiere energía, en todos los microscopios de rayos X construidos hasta la fecha, tales procesos de dispersión ocurren con mucha menos frecuencia que la absorción real. "En realidad, la dispersión no puede ocurrir sin que una fracción de la energía del fotón se deposite en la muestra, produciendo daño por radiación, "dice Villanueva-Pérez.

Los objetos absorben mucho menos cuanto más energéticos son los fotones de rayos X. Sin embargo, energías tan altas no se consideraron útiles para microscopía de alta resolución, ya que la dispersión elástica también disminuye y otra forma de dispersión se vuelve predominante. En este proceso inelástico, también conocido como dispersión de Compton, los rayos X pierden algo de su energía en el objeto cuando rebota en un átomo y en el proceso cambia la longitud de onda. Por lo general, esto produce un fondo sin rasgos no deseados o niebla en la imagen, deteriorando la calidad tanto de la imagen como de la muestra.

La idea del equipo fue que a energías de fotones de rayos X muy altas de 64 kiloelectronvoltios (keV) hay muchos más eventos de dispersión de Compton para una determinada cantidad de energía depositada en la célula que para la dispersión elástica a las energías convencionales de fotones más bajas explotadas por técnicas actuales. A continuación, se puede crear una imagen detallada tramando un punto de rayos X enfocado a través de la celda y trazando un mapa de la dispersión total detectada en cada ubicación. Asombrosamente, El análisis mostró que la dosis se podía reducir en un factor de 1000 para una resolución determinada. "Nadie pensó realmente en probar la microscopía biológica a energías tan altas, "explica Chapman." No existían fuentes de rayos X suficientemente brillantes, no había forma de enfocar el rayo, y no había detectores ".

El equipo ha encontrado soluciones a estos desafíos. El equipo de Bajt desarrolló recientemente una lente innovadora a partir de un "metamaterial" multicapa artificial que ofrece el enfoque de rayos X más pequeño logrado hasta ahora. "La eficiencia de nuestras lentes multicapa mejora mucho con el aumento de energía, y hacen manchas aún más pequeñas, ", dice Bajt." Así que son ideales para construir nuestro microscopio ".

La fuente de rayos X PETRA IV, actualmente en fase de planificación, entregará haces de brillo de rayos X mucho más alto con las energías de fotones altas requeridas de lo que es posible en la actualidad. Esto todavía sale del detector. "El detector ideal debe rodear la muestra, para recolectar todos los fotones dispersos en todas las direcciones, "explica Villanueva-Perez. Esto se puede construir utilizando la tecnología actual. Una vez realizado, Estos ingredientes permitirán a los científicos escanear células enteras y orgánulos con una resolución de unos pocos nanómetros en las tres dimensiones. en su estado natural, cumpliendo un deseo generalizado de los biólogos. Hasta entonces, los científicos planean probar su concepto novedoso con muestras biológicas en las mejores fuentes de rayos X actuales como PETRA III con detectores convencionales.