Los investigadores desarrollan un microscopio de superresolución de alta velocidad con un amplio campo de visión

Microscopio basado en componentes de fibra óptica diseñado para estudiar los efectos celulares de combinaciones de fármacos.

Los investigadores han desarrollado un microscopio de fluorescencia que utiliza iluminación estructurada para obtener imágenes rápidas de súper resolución en un amplio campo de visión. Este microscopio avanzado está diseñado para capturar imágenes de alta resolución de múltiples células vivas a la vez, lo que facilita el análisis del impacto de diferentes fármacos y sus combinaciones en el cuerpo.

«La polifarmacia -el efecto de muchas combinaciones de medicamentos recetados típicamente a personas con enfermedades crónicas o ancianos- puede provocar interacciones peligrosas y se está convirtiendo en un problema importante», dijo Henning Ortkrass de la Universidad de Bielefeld en Alemania. “Desarrollamos este microscopio como parte del proyecto EIC Pathfinder OpenProject DeLIVERy, cuyo objetivo es desarrollar una plataforma capaz de estudiar la polifarmacia en pacientes individuales. »

Los investigadores utilizaron su nueva configuración de microscopía para obtener imágenes de células hepáticas fijadas teñidas en múltiples colores. La imagen muestra las diminutas estructuras de membrana de las células, que son más pequeñas que el límite de difracción de la luz. Crédito: Henning Ortkrass, Universidad de Bielefeld

En la revista del Grupo Editorial Óptica Óptica expreso, los investigadores describen su nuevo microscopio que utiliza transmisión de luz de excitación por fibra óptica para permitir una calidad de imagen muy alta en un campo de visión muy amplio con capacidad multicolor y de alta velocidad. Muestran que el instrumento se puede utilizar para obtener imágenes de células hepáticas, logrando un campo de visión de hasta 150 x 150 μm² y velocidades de imagen de hasta 44 Hz mientras se mantiene una resolución espaciotemporal más baja a 100 nm.

«Con este nuevo microscopio, se pueden probar combinaciones de fármacos individuales en células aisladas y luego obtener imágenes con superresolución para observar la dinámica de las características de la membrana celular o los orgánulos», dijo Ortkrass. “El amplio campo de visión puede proporcionar información estadística sobre la respuesta celular, que podría usarse para mejorar la atención médica personalizada. Gracias al tamaño potencialmente reducido del sistema, también podría resultar útil para aplicaciones clínicas donde la alta resolución es importante.

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El nuevo microscopio de fluorescencia utiliza iluminación estructurada para obtener imágenes rápidas de súper resolución en un amplio campo de visión. También se pueden realizar imágenes multicolores, como se muestra en el vídeo. Crédito: Henning Ortkrass, Universidad de Bielefeld

Alta resolución en un amplio campo de visión

El nuevo microscopio se basa en microscopía de iluminación estructurada de súper resolución (SR-SIM), que utiliza un patrón de luz estructurado para excitar la fluorescencia en una muestra y lograr una resolución espacial más allá del límite de difracción de la luz. SR-SIM es particularmente adecuado para la obtención de imágenes de células vivas porque utiliza excitación de baja potencia que no daña la muestra y al mismo tiempo produce imágenes muy detalladas.

Para lograr una alta resolución en un amplio campo de visión, el nuevo microscopio reconstruye imágenes súper resueltas a partir de un conjunto de imágenes sin procesar. Estas imágenes sin procesar se adquieren utilizando una serie de seis fibras ópticas para iluminar la muestra con un patrón de rayas sinusoidal que se desplaza y gira para obtener información adicional. Esto crea el doble de resolución al tiempo que permite obtener imágenes rápidas y es compatible con imágenes de células vivas.

Gracias al gran campo de visión del microscopio, es posible adquirir imágenes de súper resolución de varias células al mismo tiempo. Crédito: Henning Ortkrass, Universidad de Bielefeld

«La selección de fibra y el cambio de fase se llevan a cabo utilizando un nuevo conmutador de fibra basado en espejos galvanométricos y espejos MEMS», dijo Ortkrass. “También diseñamos un soporte hexagonal que colima y reenfoca los haces de las seis fibras en el microscopio para iluminar un gran campo de visión y permitir un ajuste preciso de todos los haces. Esto permite que la configuración se utilice para la excitación SIM de fluorescencia de reflexión interna total (TIRF), que se utiliza para limitar la excitación y detección de fluorescencia a una región delgada de la muestra.

Imágenes de células hepáticas

Dado que el hígado es el principal órgano implicado en el metabolismo de los fármacos, los investigadores probaron el sistema utilizando muestras de células de hígado de rata fijadas de varios colores. Las imágenes reconstruidas producidas con el nuevo microscopio permitieron visualizar las diminutas estructuras de membrana más pequeñas que el límite de difracción de la luz.

«Este sistema compacto combina de forma única un amplio campo de visión y una rápida velocidad de cambio de patrón con excitación multicolor y energéticamente eficiente», dijo Ortkrass. “Además, la configuración logra una calidad de imagen muy alta y se puede configurar para realizar 2D-SIM o TIRF-SIM. »

A continuación, los investigadores planean aplicar la instalación de microscopía a estudios de células vivas de células hepáticas para observar la dinámica de las células tratadas con múltiples medicamentos. También planean mejorar el proceso de reconstrucción de imágenes para lograr la reconstrucción en vivo de los datos sin procesar adquiridos.

Referencia: “Microscopía de iluminación estructurada de superresolución 2D y TIRF de alta velocidad con un gran campo de visión basada en componentes de fibra óptica” por Henning Ortkrass, Jasmin Schürstedt, Gerd Wiebusch, Karolina Szafranska, Peter McCourt y Thomas Huser, 16 de agosto de 2023 , Óptica expreso.
DOI: 10.1364/OE.495353