La obtención de imágenes de materiales muy pequeños no solo requiere una gran habilidad por parte del microscopista, pero también grandes instrumentos y técnicas. Para una mirada microscópica refinada a los materiales biológicos, los desafíos incluyen obtener una imagen libre de "ruido, "la interferencia que pueden causar varios elementos, incluyendo el área que rodea un artículo. Etiquetas, tintes o las manchas que se agregan para ver el artículo con mayor claridad también pueden presentar problemas, ya que pueden afectar el artículo que se va a escanear de formas inesperadas, dañando o incluso matando materiales biológicos.

Observar los microtúbulos es un caso interesante. La estructura tubular hueca sirve como columna vertebral de las células y ayuda a transportar materiales en la célula. Los microtúbulos que funcionan mal se han asociado con diversas enfermedades, como el cáncer y la enfermedad de Alzheimer.

Comprender cómo funcionan los microtúbulos podría ser un paso importante para comprender la progresión de la enfermedad. Sin embargo, estudiar un solo microtúbulo dinámico, que mide 24 nanómetros de diámetro, y hasta 10 micrones de longitud, no es una tarea fácil.

Los investigadores del Laboratorio de Imágenes de Luz Cuantitativa del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de la Universidad de Illinois han podido utilizar microscopía de interferencia de luz espacial sin etiquetas (SLIM) y procesamiento por computadora para obtener imágenes de los microtúbulos en un ensayo. El estudio, "Imágenes sin etiquetas de la dinámica de un solo microtúbulo utilizando microscopía de interferencia de luz espacial, "fue publicado recientemente en ACS Nano .

Poder ver los microtúbulos sin el uso de tintes o tintes es un aporte importante.

"El aspecto sin etiquetas es el principal avance en mi opinión, "dijo Gabriel Popescu, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática, y miembro del Grupo de Ciencia y Tecnología de Bioimagen de Beckman. Popescu es el autor principal del estudio.

"Se han realizado otros esfuerzos para hacer que esta etiqueta es una clase de desafíos muy importante. Las técnicas actuales producen campos de visión más pequeños, y el contraste de la imagen no es tan bueno ".

Al medir cuánta luz se retrasa a través de la muestra en todos los puntos del campo de visión, los investigadores pueden encontrar el mapa de longitud de trayectoria óptica para la muestra. Esta longitud de la ruta óptica, o información de fase, se relaciona con el índice de refracción y el espesor de una muestra, permitiendo estudios detallados sobre la estructura y dinámica celular.

"El instrumento proporciona una imagen borrosa que es mucho más grande que el tamaño del microtúbulo, "explica Popescu." Así que es como si estuviera borrando los valores de ese retardo de fase. Pero como tenemos muy bien nuestro sistema, podemos respaldarlo y obtener un valor de índice efectivo para el microtúbulo, cual es correcta."

El procesamiento numérico utilizado proporciona la sensibilidad no solo para ver los túbulos, sino que también se utiliza para medir la dispersión de la luz.

"Un punto clave de la física es que una vez que conoces tanto la intensidad como la fase de la luz, luego puede procesar numéricamente esa información y propagar virtualmente la luz en cualquier lugar del espacio, incluso en un plano alejado del microtúbulo, para estudiar la luz dispersa, "dijo Popescu.

Los esfuerzos anteriores para obtener imágenes de las estructuras minúsculas han utilizado inmunofluorescencia, inyectar anticuerpos en tintes fluorescentes para ver claramente cómo funciona la célula. Sin embargo, la fluorescencia puede afectar la función celular y el período de tiempo que se pueden obtener imágenes de la célula.

"Les hicimos imágenes durante un período de tiempo muy largo, no dos o tres minutos, pero más como ocho horas, "dijo Mikhail Kandel, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática y autor principal del estudio. "La gente está interesada en las tasas metabólicas de las proteínas que caminan sobre los microtúbulos y mostramos cómo se puede observar la desaceleración de estas proteínas, lo que equivale a monitorear el consumo de su fuente de combustible ".

"Podría potencialmente averiguar el consumo de ATP y las características de motilidad de las proteínas, que son muy interesantes ".

Los investigadores de Beckman trabajaron con Paul Selvin, profesor de física.

"Esto acaba de surgir de una discusión con el grupo de Paul Selvin, que han estado estudiando los microtúbulos durante mucho tiempo utilizando métodos tradicionales de fluorescencia, "dijo Popescu." Mikhail se puso en contacto con sus estudiantes y dijeron:Hagamos un intento. Verlos con otros tipos de fluorescencia es una mejora importante porque, básicamente, puedes visualizarlos para siempre ".

"Mi grupo está interesado en ver cómo las proteínas se mueven alrededor de los microtúbulos, "dijo Selvin, uno de los autores del estudio. "Esta nueva técnica no solo nos permite tener una idea de cómo funcionarán las células con el tiempo, pero también plantea la posibilidad de obtener imágenes de células in vivo ".

SLIM es un producto fabricado comercialmente que puede adaptarse para actualizar cualquier microscopio, dicen los investigadores. Esto permite a los biólogos utilizar otras técnicas de microscopía, incluida la fluorescencia, además de SLIM. El producto SLIM está disponible a través de Phi Optics, una empresa que fundó Popescu.

"Uno de los mayores desafíos de la interferometría es la sensibilidad, que se ve drásticamente afectado por el ruido ambiental, por ejemplo, vibraciones o fluctuaciones del aire. Pero con la geometría estable particular utilizada en SLIM, De hecho, podemos lograr una sensibilidad increíble en fracciones de nanómetros, "dijo Popescu.

Los investigadores planean ampliar los límites de las células de imágenes, con suerte, obtener imágenes de microtúbulos en células vivas.

"Si logramos impulsar esto en una célula viva, eso sería un gran avance, ", dijo Popescu." Anticipamos grandes desafíos debido al trasfondo que existe en las células. Animado por estos resultados, estamos pensando que algún día podríamos tener tal sensibilidad para ver cambios de fase de moléculas individuales.

"No hemos llegado todavía, pero uno puede soñar ".