Los investigadores han utilizado enfoques de imágenes avanzados para lograr microscopía de súper resolución a velocidades sin precedentes. El nuevo método debería permitir capturar los detalles de los procesos que ocurren en las células vivas a velocidades que antes no eran posibles.

Técnicas de superresolución, a menudo llamada nanoscopia, lograr una resolución a nanoescala superando el límite de difracción de la luz. Aunque la nanoscopia puede capturar imágenes de moléculas individuales dentro de las células, es difícil de usar con células vivas porque se necesitan cientos o miles de fotogramas de imágenes para reconstruir una imagen, un proceso demasiado lento para capturar dinámicas que cambian rápidamente.

En Optica , La revista de la Optical Society (OSA) para investigaciones de alto impacto, Investigadores de la Academia de Ciencias de China describen cómo utilizaron el enfoque de imágenes no convencionales conocido como imágenes fantasma para mejorar la velocidad de imágenes de la nanoscopia. La combinación produce una resolución nanométrica con órdenes de magnitud de menos cuadros de imagen que las técnicas tradicionales de nanoscopía.

"Nuestro método de obtención de imágenes puede sondear potencialmente la dinámica que se produce en escalas de tiempo de milisegundos en estructuras subcelulares con una resolución espacial de decenas de nanómetros, la resolución espacial y temporal en la que tienen lugar los procesos biológicos, "dijo Zhongyang Wang, codirector del equipo de investigación.

Combinando técnicas para obtener imágenes más rápidas

El nuevo enfoque se basa en la microscopía de reconstrucción óptica estocástica (STORM), que fue una de las tres técnicas de superresolución que fueron reconocidas con premios Nobel en 2014. STORM, que también se denomina a veces microscopía de localización fotoactivada (PALM), es una técnica de campo amplio que utiliza etiquetas fluorescentes que cambian entre estados emisores de luz (encendido) y oscuro (apagado). Adquirir cientos o miles de instantáneas, cada uno capturando el subconjunto de etiquetas fluorescentes que están en un momento dado, permite determinar la ubicación de cada molécula y utilizarla para reconstruir una imagen de fluorescencia.

Los investigadores recurrieron a las imágenes fantasma para acelerar el proceso de imágenes STORM. Las imágenes fantasma forman una imagen correlacionando un patrón de luz que interactúa con el objeto con un patrón de referencia que no lo hace. Individualmente, los patrones de luz no llevan ninguna información significativa sobre el objeto. Los investigadores también utilizaron imágenes de compresión, un enfoque computacional que permite la reconstrucción de imágenes con menos exposiciones porque utiliza un algoritmo para completar la información que falta.

"Si bien STORM requiere una baja densidad de etiquetas fluorescentes y muchos marcos de imagen, nuestro enfoque puede crear una imagen de alta resolución utilizando muy pocos fotogramas y una alta densidad de fluoróforos, ", dijo el codirector del equipo de investigación Shensheng Han." Tampoco necesita ninguna iluminación compleja, lo que ayuda a reducir el fotoblanqueo y la fototoxicidad que podrían dañar los procesos biológicos dinámicos y las células vivas ".

Mejora de la eficiencia de las imágenes

Para implementar la nueva técnica, los investigadores utilizaron un componente óptico conocido como modulador de fase aleatoria para convertir la fluorescencia de la muestra en un patrón de moteado aleatorio. Codificar la fluorescencia de esta manera permitió que cada píxel de una cámara CMOS muy rápida recolectara la intensidad de la luz de todo el objeto en un solo cuadro. Para formar la imagen a través de imágenes fantasma e imágenes de compresión, esta intensidad de luz se correlacionó con un patrón de luz de referencia en un solo paso. El resultado fue una adquisición de imágenes más eficiente y una reducción en el número de fotogramas necesarios para formar una imagen de alta resolución.

Los investigadores probaron la técnica usándola para obtener imágenes de un anillo de 60 nanómetros. El nuevo enfoque de nanoscopía podría resolver el anillo utilizando solo 10 cuadros de imagen, mientras que los enfoques STORM tradicionales necesitaban hasta 4000 cuadros para lograr el mismo resultado. El nuevo enfoque también resolvió una regla de 40 nanómetros con 100 cuadros de imagen.

"Esperamos que este método se pueda aplicar a una variedad de muestras fluorescentes, incluidos los que exhiben una fluorescencia más débil que los utilizados en esta investigación, ", dijo Wang. Los investigadores también quieren hacer que la técnica sea más rápida para lograr imágenes de velocidad de video con un gran campo de visión y planean usarla para adquirir imágenes en 3-D y en color.