El equipo de Columbia detrás del revolucionario microscopio 3-D SCAPE anuncia hoy una nueva versión de esta tecnología de imágenes de alta velocidad. En colaboración con científicos de todo el mundo, utilizaron SCAPE 2.0 para revelar detalles nunca antes vistos de criaturas vivientes, desde neuronas que se disparan dentro de un gusano que se retuerce hasta la dinámica tridimensional del corazón palpitante de un embrión de pez, con una resolución muy superior y a velocidades hasta 30 veces más rápidas que su demostración original.

Estas mejoras a SCAPE, publicado hoy en Métodos de la naturaleza , prometen impactar campos tan amplios como la genética, cardiología y neurociencia.

¿Por qué está teniendo más rápido, ¿Las imágenes en 3D son tan valiosas? "Los procesos que impulsan a los seres vivos son dinámicos y en constante cambio, por la forma en que las células de un animal se comunican entre sí, a cómo una criatura se mueve y cambia de forma, "dijo Elizabeth Hillman, Doctor., investigador principal del Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute de Columbia y autor principal del artículo. "Cuanto más rápido podamos imaginar, cuantos más de estos procesos podamos ver, y las imágenes rápidas en 3-D nos permiten ver todo el sistema biológico, en lugar de un solo avión, ofreciendo una clara ventaja sobre los microscopios tradicionales ".

Cuando el equipo del Dr. Hillman introdujo por primera vez la microscopía SCAPE (excitación plana alineada confocalmente de barrido) hace cuatro años, su enfoque desafió las suposiciones sobre cómo crear una imagen de tejidos vivos a altas velocidades.

"La mayoría de los microscopios que toman imágenes de muestras vivas escanean un pequeño punto de luz láser alrededor de la muestra, pero el enfoque de escaneo de puntos es lento, dando solo un poco de tiempo para ver cada lugar, "dijo Venkatakaushik Voleti, Doctor., primer autor del artículo que desarrolló SCAPE 2.0 como candidato a doctorado en el laboratorio del Dr. Hillman. "Nuestro sistema utiliza un oblicuo, o en ángulo, hoja de luz para iluminar un plano completo dentro de la muestra, y luego barre esta hoja de luz a través de la muestra para formar una imagen tridimensional ".

Aunque las muestras de imágenes que utilizan láminas de luz se remontan a más de 100 años, El ingenio de SCAPE radica en la forma en que mueve rápidamente la hoja de luz y enfoca la imagen de esta hoja de regreso a una cámara fija usando un solo espejo móvil, lo que lo hace increíblemente rápido y sorprendentemente simple. Además, SCAPE es cuidadoso con las muestras vivas porque utiliza solo una fracción de la luz que necesitarían los microscopios de barrido puntual para obtener imágenes a velocidades comparables. SCAPE logra todo esto a través de un solo, lente objetivo estacionaria, abriendo espacio para una amplia gama de muestras en comparación con los microscopios de hoja de luz convencionales que requieren cámaras de muestras complejas rodeadas de muchas lentes.

"A menudo, la gente se sorprende de lo compacta SCAPE simple y fácil de usar es, "dijo el Dr. Hillman, que habitualmente conduce los sistemas SCAPE en el maletero de su coche para ofrecer a los investigadores demostraciones prácticas.

El equipo del Dr. Hillman está trabajando para ayudar a científicos de todo el mundo a utilizar SCAPE para sus propias investigaciones. invitando a científicos a su laboratorio en el Instituto Zuckerman de Columbia, o ayudándoles a construir sus propios sistemas, gracias a la subvención de la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud. El Dr. Hillman también está trabajando con Leica Microsystems, que han obtenido la licencia de SCAPE y actualmente están desarrollando una versión comercial del sistema.

El Dr. Hillman atribuye un amplio interés en SCAPE 2.0 a los importantes avances recientes en el etiquetado fluorescente, que permite a los científicos hacer que las células específicas de un animal brillen con diferentes colores, e incluso puede hacer que las células se enciendan y apaguen cuando se envían señales entre sí. También observa el creciente impacto de los pequeños, animales casi transparentes como C. elegans gusanos, embriones de pez cebra y moscas de la fruta que se pueden observar durante los comportamientos naturales, o modificarse para recapitular enfermedades humanas. SCAPE 2.0 está perfectamente posicionado para capturar la sinfonía de eventos celulares, movimientos y respuestas que se desarrollan en estos sistemas vivos.

"En nuestro nuevo periódico, mostramos cómo SCAPE 2.0 puede rastrear neuronas individuales que se disparan en un animal completo mientras se arrastra, dándonos una nueva ventana sobre cómo la actividad neuronal guía el comportamiento, "dijo el Dr. Hillman, quien también es profesor de ingeniería biomédica en Columbia Engineering.

A pesar de estar inspirado por las necesidades de la neurociencia, El Dr. Hillman señala que muchos de los métodos de etiquetado y modelos animales antes mencionados están transformando ahora otras áreas de investigación, permitir que los científicos exploren cómo las células tumorales cancerosas se envían señales entre sí, cómo las células inmunes encuentran sus objetivos o cómo el corazón y el sistema cardiovascular se ven afectados por medicamentos y enfermedades.

"Es realmente emocionante ver las técnicas, estimulado por la iniciativa BRAIN, teniendo impactos cada vez más amplios en la ciencia y la medicina ", dijo el Dr. Hillman.

Reconociendo esta oportunidad, El Dr. Hillman se asoció con el cardiólogo pediátrico Kimara Targoff, MARYLAND, poner a trabajar a SCAPE 2.0 en el estudio de cómo se desarrolla el corazón. El laboratorio del Dr. Targoff utiliza el pez cebra como modelo animal para descifrar las mutaciones genéticas que pueden causar malformaciones cardíacas en el embrión. Comprender cómo estas mutaciones conducen a la enfermedad podría informar los tratamientos para los niños que viven con cardiopatías congénitas.

"El problema con la obtención de imágenes del corazón que late es que late rápido, cambiando su forma a medida que la sangre fluye a través de él en una amplia gama de direcciones, "dijo el Dr. Targoff. quien es profesor asistente de pediatría en el Colegio de Médicos y Cirujanos Vagelos de Columbia y coautor del artículo de hoy". Con SCAPE 2.0, podemos visualizar el corazón palpitante del embrión de pez cebra en 3-D y en tiempo real, permitiéndonos ver cómo las señales de calcio enviadas entre las células del corazón hacen que la pared del corazón se contraiga, o cómo fluyen los glóbulos rojos a través de las válvulas del corazón latido tras latido. Usando este conocimiento, podemos rastrear cómo una mutación genética particular afecta el desarrollo normal del corazón en un entorno que recapitula más de cerca el estado natural del corazón ".

El deseo de seguir un solo glóbulo rojo mientras viaja a través del corazón que late fue una fuerza impulsora detrás de empujar los límites de velocidad de SCAPE 2.0.

Para alcanzar estas velocidades sin precedentes, El equipo del Dr. Hillman trabajó en estrecha colaboración con Lambert Instruments, aprovechando la cámara ultrarrápida HiCAM Fluo de la empresa. Esta cámara se utilizó para capturar imágenes a más de 18, 000 fotogramas por segundo en el corazón palpitante del embrión de pez cebra. Esta nueva configuración abrió la puerta a la grabación de neuronas individuales que se disparan en gusanos C. elegans que se mueven libremente, dando la primera vista del sistema nervioso completo de un animal en acción. Las otras actualizaciones de SCAPE 2.0 incluyen una eficiencia de luz mejorada, un campo de visión más grande y una resolución espacial mucho mejor.

La resolución mejorada de SCAPE 2.0 también permitió al equipo obtener imágenes de muestras creadas mediante limpieza y expansión de tejidos. Estos métodos permiten a los científicos ver estructuras y conexiones en el interior de muestras intactas, desde cerebros completos de ratones hasta tumores y biopsias humanas. Aunque estas muestras no están vivas, son muy grandes y toman mucho tiempo para obtener imágenes usando microscopios estándar. El artículo de hoy demuestra que SCAPE 2.0 podría obtener imágenes de este tipo de muestras a velocidades récord.

La Dra. Hillman y su equipo continúan desarrollando y mejorando SCAPE para expandir aún más su utilidad, mientras trabaja con un grupo de colaboradores en constante crecimiento, desde neurocientíficos del Instituto Zuckerman hasta el vulcanólogo de Columbia Einat Lev Ph.D., que está usando SCAPE para obtener imágenes de la forma en que se forman las burbujas de gas durante las erupciones volcánicas.

El equipo del Dr. Hillman también está desarrollando una versión miniaturizada de SCAPE para uso médico, para distinguir rápidamente entre células sanas y enfermas dentro del cuerpo de un paciente, brindando a los médicos una nueva forma de guiar cómo realizar cirugías complejas en el quirófano.

"Las limitaciones de las herramientas y técnicas a menudo limitan lo que los científicos creen que pueden estudiar, "dijo el Dr. Hillman, quien también es profesor de radiología en el Vagelos College of Physicians and Surgeons de Columbia. "SCAPE 2.0 abre un nuevo panorama de cosas que podemos ver. Espero que nuestros nuevos resultados inspiren a los científicos a pensar en qué nuevas preguntas se pueden hacer, y qué nuevas vías de descubrimiento científico podemos explorar a continuación ".

Este artículo se titula "Microscopía volumétrica en tiempo real de dinámica in vivo y muestras a gran escala con SCAPE 2.0".