La técnica PRISM rompe los límites de difracción de la luz para obtener imágenes de células vivas en el espacio y el tiempo

• Los investigadores desarrollan una nueva técnica (PRISM) que puede observar más allá de la difracción de la luz. 
• Puede capturar vistas excepcionales del interior de células vivas mediante imágenes espaciales y temporales de súper resolución. 

Durante las últimas dos décadas, hemos estado utilizando métodos de obtención de imágenes de fluorescencia de campo amplio, como PALM y STORM, para observar estructuras subcelulares. Estos métodos requieren cientos y miles de imágenes sin procesar en secuencias largas. Por lo tanto, al aumentar la resolución espacial disminuye la resolución temporal.

Ahora, investigadores de EPFL (institución de investigación en Lausana, Suiza) han diseñado un sistema que puede capturar vistas excepcionales dentro de células vivas a través de imágenes espaciales y temporales de súper resolución (tanto en el espacio como en el tiempo).

La nueva plataforma de microscopía, denominada PRISM (Instrumento de recuperación de fases con microscopía de superresolución), puede observar más allá de la difracción de la luz. Integra microscopía tridimensional y una técnica novedosa para la recuperación de fases tridimensionales de luz blanca.

Combina la resolución espacial de la superresolución de fluorescencia y la especificidad molecular con la obtención de imágenes de fase cuantitativa sensibles y de alta velocidad, lo que permite obtener imágenes multimodales en 4 dimensiones. 

¿Cómo funciona la microscopía celular 4D?

Los investigadores utilizaron el filtrado de Fourier para extraer la fase cuantitativa 3D de una serie de imágenes de luz blanca. Luego explicaron esta imagen de fase de resolución profunda de campo brillante mediante la formación de imágenes 3D parcialmente coherentes.

Demostraron su concepto recuperando datos de fase 3D de alta resolución de células estables a partir de una gran pila de intensidades desplazadas en z. Desarrollaron PRISM para la adquisición simultánea de 8 planos:puede realizar imágenes de fase 3D de alta velocidad en un volumen de 2,5*50*50 micrómetros. Finalmente, tomaron imágenes secuenciales de muestras de células con 3D con microscopía de fase e imágenes de fluctuación óptica de súper resolución (SOFI).

SOFI admite imágenes en 3D de células vivas con casi un segundo por imagen reconstruida de resolución temporal en un microscopio multiplano. Además, ofrece una evaluación cuantitativa de los parámetros moleculares y tolera altas densidades de etiquetado.

Referencia:Fotónica de la Naturaleza | doi:10.1038/s41566-018-0109-4 | EPFL

En un lenguaje sencillo, PRISM es un complemento de las plataformas actuales de microscopía de campo amplio, que permite una implementación sencilla y rápida de imágenes de fluorescencia 3D de superresolución y fase cuantitativa 3D. En pocas palabras, el nuevo sistema presenta una mejor oportunidad para observar la fisiología temporal y la compleja espacial de las células vivas.

Detalles técnicos

Una célula observada con la técnica PRISM | Crédito:T. Lasser / EPFL

Basada en la ecuación de ondas de Helmholtz, la técnica está integrada en el marco del teorema de Wiener-Khintchine. El proceso de decodificación de datos de fase a lo largo del eje z se realiza calculando la interferencia de dispersión débil directa.

Construyeron un algoritmo eficiente para recuperar los datos de fase 3D de una pila de intensidad volumétrica adquirida. La apertura numérica de alta detección y la iluminación Koehler de luz blanca proporcionan imágenes de fase cuantitativa estable y de alta resolución sin manchas de células vivas. Además, las simulaciones verificaron una resolución axial de 350*560 nanómetros. 

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En general, el procedimiento permite convertir un microscopio de campo claro convencional en un microscopio de fase 3D sencillo, rápido y fiable, que se supone que cumplirá las expectativas de numerosas investigaciones y aplicaciones en ciencias biológicas y biología.