Mediante la combinación de dos tecnologías de imágenes, los científicos ahora pueden observar con detalles tridimensionales sin precedentes a medida que las células cancerígenas se arrastran, los circuitos de nervios espinales se conectan y las células inmunes navegan a través del oído interno del pez cebra.
El físico Eric Betzig , un líder del grupo en el Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes, y sus colegas informaron el trabajo el 19 de abril de 2018 en la revista Science .
Los científicos han fotografiado las células vivas con microscopios durante cientos de años, pero las mejores perspectivas provienen de las células aisladas en portaobjetos de vidrio. Los grandes grupos de células dentro de organismos completos luchan como una bolsa llena de canicas, dice Betzig. "Esto plantea la persistente duda de que no estamos viendo células en su estado nativo, felizmente instaladas en el organismo en el que evolucionaron".
Incluso cuando se ven las células individualmente, los microscopios más comúnmente utilizados para estudiar el funcionamiento interno de las células suelen ser demasiado lentos para seguir la acción en 3-D. Estos microscopios bañan las células con luz de miles a millones de veces más intensa que el sol del desierto, dice Betzig. "Esto también contribuye a nuestro temor de que no estamos viendo las células en su forma natural, sin estrés.
Para enfrentar estos desafíos, Betzig y su equipo combinaron dos tecnologías de microscopía que informaron por primera vez en 2014, el mismo año en que compartió el Premio Nobel de Química . Para descifrar la luz de las células enterradas en los organismos, los investigadores recurrieron a la óptica adaptativa, la misma tecnología utilizada por los astrónomos para proporcionar vistas claras de objetos celestes distantes a través de la atmósfera turbulenta de la Tierra. Luego, para crear una imagen de la coreografía interna de estas células de forma rápida, aunque suave, en 3-D, el equipo utilizó microscopía de hoja de celosía. Esa tecnología barre rápida y repetidamente una hoja de luz ultradelgada a través de la célula mientras adquiere una serie de imágenes bidimensionales, creando una película en 3-D de alta resolución de dinámica subcelular.
El nuevo microscopio es esencialmente tres microscopios en uno: un sistema óptico adaptativo para mantener la fina iluminación de una lámina de celosía cuando penetra dentro de un organismo, y otro sistema óptico adaptativo para crear imágenes sin distorsiones cuando se mira hacia abajo desde el plano iluminado. encima. Al iluminar un láser a través de cualquiera de las vías, los investigadores crean un punto de luz brillante dentro de la región en la que desean crear la imagen. Las distorsiones en la imagen de esta "estrella guía" le dicen al equipo la naturaleza de las aberraciones ópticas a lo largo de cualquiera de las vías. Los investigadores pueden corregir estas distorsiones aplicando distorsiones iguales pero opuestas a un modulador de luz pixelado en el lado de excitación, y un espejo deformable en la detección. En grandes volúmenes, las distorsiones cambian a medida que la luz atraviesa diferentes tejidos. En este caso,
Los resultados ofrecen una nueva mirada electrizante a la biología y revelan una metrópolis bulliciosa en acción a nivel subcelular . En una película del microscopio, una célula inmunitaria de color naranja ardiente se retorcía locamente a través de la oreja de un pez cebra mientras recogía partículas de azúcar azul en el camino. En otro, una célula cancerosa rastrea apéndices pegajosos a medida que rueda a través de un vaso sanguíneo e intenta obtener una compra en la pared del vaso.
Dentro de la médula espinal de un embrión de pez cebra, las nuevas neuronas se iluminan en diferentes colores, lo que permite a los científicos rastrear el desarrollo del circuito nervioso. Crédito: T. Liu et al./ Science 2018
La complejidad del entorno multicelular 3-D puede ser abrumadora, dice Betzig, pero la claridad de la imagen de su equipo les permite "explotar" computacionalmente las células individuales en el tejido para centrarse en la dinámica dentro de cualquier particular, como la remodelación de organelos internos durante la división celular.
Todos estos detalles son difíciles de ver sin óptica adaptativa, dice Betzig. "Es demasiado confuso". En su opinión, la óptica adaptativa es una de las áreas más importantes en la investigación de microscopía en la actualidad, y el microscopio de hoja de celosía, que sobresale en imágenes en 3-D, es la plataforma perfecta para mostrar su poder . La óptica adaptativa aún no ha despegado, dice, porque la tecnología ha sido complicada, costosa y, hasta ahora, no valía la pena el esfuerzo. Pero dentro de 10 años, predice Betzig, los biólogos de todas partes estarán a bordo.
El siguiente gran paso es hacer que esa tecnología sea asequible y fácil de usar. "Las demostraciones técnicas y las publicaciones no equivalen a una colina de frijoles. La única medida mediante la cual se debe juzgar a un microscopio es cuántas personas lo usan y la importancia de lo que descubren con él ", dice Betzig.
El microscopio actual llena una mesa de 10 pies de largo. "Es un monstruo de Frankenstein en este momento", dice Betzig, que se mudará a la Universidad de California, Berkeley, en el otoño. Su equipo está trabajando en una versión de próxima generación que debe caber en un pequeño escritorio a un costo al alcance de cada laboratorio. El primer instrumento de este tipo irá al Centro de Imágenes Avanzadas de Janelia , donde científicos de todo el mundo pueden solicitar su uso. Los planes que los científicos pueden usar para crear sus propios microscopios también estarán disponibles de forma gratuita. En última instancia, Betzig espera que se comercialice la versión óptica adaptativa del microscopio de celosía, al igual que el instrumento de celosía de base anterior. Eso podría llevar la óptica adaptativa a la corriente principal.
Tsung-Li Liu, Srigokul Upadhyayula, Daniel E. Milkie, Ved Singh, Kai Wang, Ian A. Swinburne, Kishore R. Mosaliganti, Zach M. Collins, Tom W. Hiscock, Jamien Shea, Abraham Q. Kohrman, Taylor N. Medwig, Daphne Dambournet, Ryan Forster, Brian Cunniff, Yuan Ruan, Hanako Yashiro, Steffen Scholpp, Elliot M. Meyerowitz, Dirk Hockemeyer, David G. Drubin, Benjamin L. Martin, David Q. Matus, Minoru Koyama, Sean G. Megason , Tom Kirchhausen, Eric Betzig, "La observación de la célula en su estado nativo: imágenes de la dinámica subcelular en organismos multicelulares. " Ciencia . Publicado en línea el 19 de abril de 2018.
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