Los científicos han estado utilizando la microscopía de fluorescencia para estudiar el funcionamiento interno de las células y los organismos biológicos durante décadas. Sin embargo, muchas de estas plataformas suelen ser demasiado lentas para seguir la acción biológica en 3-D; y demasiado dañino para los especímenes biológicos vivos con una iluminación de luz fuerte.

Para abordar estos desafíos, un equipo de investigación dirigido por el Dr. Kevin Tsia, Profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica y Director del Programa de Licenciatura en Ingeniería Biomédica de la Universidad de Hong Kong (HKU), desarrolló una nueva tecnología de imágenes ópticas, microscopía de matriz de láminas de luz codificada (CLAM), que puede realizar imágenes en 3-D a alta velocidad, y es energéticamente eficiente y lo suficientemente suave como para preservar las muestras vivas durante el escaneo a un nivel que no se logra con las tecnologías existentes.

Esta avanzada tecnología de imágenes se publicó recientemente en Luz:ciencia y aplicaciones . Se ha presentado una solicitud de patente estadounidense para la innovación.

"CLAM permite obtener imágenes de fluorescencia en 3-D a una alta velocidad de fotogramas comparable a la tecnología de vanguardia (~ 10 volúmenes por segundo). Más importante aún, es mucho más eficiente energéticamente, ser mayor de 1, 000 veces más suave que los microscopios 3D estándar ampliamente utilizados en laboratorios científicos, lo que reduce en gran medida el daño causado a los especímenes vivos durante el escaneo, "explicó el Dr. Tsia.

Las plataformas de microscopía biológica tridimensional existentes son lentas porque todo el volumen de la muestra debe escanearse secuencialmente y obtener imágenes punto por punto. línea por línea o plano por plano. En estas plataformas, una sola instantánea 3D requiere una iluminación repetida en la muestra. Los especímenes a menudo se iluminan con miles o millones de veces más intensidad que la de la luz solar. Es probable que esto dañe la muestra en sí, por lo tanto, no es favorable para la obtención de imágenes biológicas a largo plazo para diversas aplicaciones como la ciencia anatómica, biología del desarrollo y neurociencia.

Es más, Estas plataformas a menudo agotan rápidamente el "presupuesto" de fluorescencia limitado, una restricción fundamental de que la luz fluorescente solo se puede generar con la iluminación durante un período limitado antes de que se desvanezca permanentemente en un proceso llamado "fotoblanqueo". "que establece un límite a la cantidad de adquisiciones de imágenes que se pueden realizar en una muestra.

"La iluminación repetida de la muestra no solo acelera el fotoblanqueo, pero también genera una luz de fluorescencia excesiva que finalmente no forma la imagen final. Por eso, el 'presupuesto' de fluorescencia se desperdicia en gran medida en estas plataformas de imágenes, "Añadió el Dr. Tsia.

El corazón de CLAM es transformar un solo rayo láser en una matriz de alta densidad de 'láminas de luz' con el uso de un par de espejos paralelos, para extenderse sobre una gran área de la muestra como excitación de fluorescencia.

"La imagen dentro de todo el volumen 3-D se captura simultáneamente (es decir, paralelizada), sin la necesidad de escanear la muestra punto por punto o línea por línea o plano por plano como lo requieren otras técnicas. Tal paralelización 3-D en CLAM conduce a una imagen de fluorescencia 3-D muy suave y eficiente sin sacrificar la sensibilidad y la velocidad, "como lo señaló el Dr. Yuxuan Ren, un investigador postdoctoral sobre el trabajo. CLAM también supera a los métodos habituales de obtención de imágenes por fluorescencia en 3-D para reducir el efecto del fotoblanqueo.

Para preservar la resolución y la calidad de la imagen en CLAM, el equipo recurrió a la multiplexación por división de código (CDM), una técnica de codificación de imágenes que se usa ampliamente en telecomunicaciones para enviar múltiples señales simultáneamente.

"Esta técnica de codificación nos permite utilizar un sensor de imagen 2-D para capturar y reconstruir digitalmente todas las pilas de imágenes en 3-D simultáneamente. CDM nunca antes se había utilizado en imágenes 3-D. Adoptamos la tecnología, que se convirtió en un éxito, "explicado por el Dr. Queenie Lai, otro investigador postdoctoral que desarrolló el sistema.

Como demostración de prueba de concepto, el equipo aplicó CLAM para capturar videos 3-D de flujo rápido de micropartículas en un chip de microfluidos a una tasa de volumen de más de 10 volúmenes por segundo comparable a la tecnología de punta.

"CLAM no tiene una limitación fundamental en la velocidad de las imágenes. La única limitación es la velocidad del detector empleado en el sistema, es decir, la cámara para tomar instantáneas. A medida que la tecnología de las cámaras de alta velocidad avanza continuamente, CLAM siempre puede desafiar su límite para lograr una velocidad aún mayor en el escaneo, "destacado por el Dr. Jianglai Wu, la investigación postdoctoral que inició el trabajo.

El equipo ha dado un paso más para combinar CLAM con la tecnología de limpieza de tejidos recientemente desarrollada de la Facultad de Medicina de HKU LKS para realizar una visualización en 3-D de los glomérulos de ratón y la vasculatura sanguínea del intestino en una alta velocidad de fotogramas.

"Anticipamos que esta técnica combinada puede extenderse a la investigación histopatológica en 3D a gran escala de muestras biológicas de archivo, como mapear la organización celular en el cerebro para la investigación de la neurociencia ", dijo el Dr. Tsia.

"Dado que las imágenes CLAM son significativamente más suaves que todos los demás métodos, favorece de forma única la "vigilancia" a largo plazo y continua del espécimen biológico en su forma viva. Esto podría potencialmente afectar nuestra comprensión fundamental en muchos aspectos de la biología celular, p.ej. para rastrear continuamente cómo un embrión animal se convierte en su forma adulta; para monitorear en tiempo real cómo las células / organismos se infectan con bacterias o virus; para ver cómo las células cancerosas son destruidas por los medicamentos, y otras tareas desafiantes inalcanzables con las tecnologías existentes en la actualidad, "Añadió el Dr. Tsia.

CLAM se puede adaptar a muchos sistemas de microscopios actuales con una mínima modificación de hardware o software. Aprovechando esto, el equipo tiene previsto seguir mejorando el sistema CLAM actual para la investigación en biología celular, biología del desarrollo animal y vegetal.