Un grupo de investigadores ha desarrollado un innovador microscopio de imagen 3D de alta velocidad que permite capturar la dinámica celular de un organismo pequeño en su totalidad. Esta capacidad de obtener imágenes en 3D en tiempo real y sobre un amplio campo de visión podría proporcionar nuevos conocimientos en biología del desarrollo y neurociencia.
Según Eduardo Hirata Miyasaki, miembro del equipo que llevó a cabo la investigación en el laboratorio de Sara Abrahamsson en la Universidad de California en Santa Cruz (UCSC), «los microscopios tradicionales están limitados por la rapidez con la que pueden reenfocar o escanear diferentes profundidades, lo que dificulta la captura de procesos biológicos rápidos en 3D sin distorsión o pérdida de información».
El nuevo sistema, denominado M25, amplía la técnica de microscopía multifocal (MFM) desarrollada por Abrahamsson, utilizando una matriz de 25 cámaras para llevar al límite la velocidad y la imagen volumétrica. Esta mejora en la eficiencia permite estudiar sistemas vivos pequeños en movimiento sin interrumpir su comportamiento natural.
Innovación en la captura de imágenes biológicas
En un artículo publicado en la revista Optica, los investigadores describen su nuevo microscopio, que combina óptica difractiva con 25 cámaras pequeñas para obtener imágenes de manera sincrónica y simultánea a múltiples profundidades. Han demostrado la capacidad de realizar imágenes en 3D de volúmenes de hasta 180 x 180 x 50 micrones a velocidades de adquisición que superan los 100 volúmenes por segundo.
El M25 es particularmente útil para la imagen de gusanos C. elegans, un organismo modelo utilizado para estudiar el desarrollo, la neurociencia y la locomoción. «Tradicionalmente, los científicos solo podían ver parte del organismo de manera clara en un momento dado. Con nuestro nuevo microscopio, es posible observar todo el movimiento del gusano en 3D, lo que permite estudiar cómo su sistema nervioso controla el movimiento y cómo el comportamiento puede cambiar en respuesta a mutaciones genéticas, enfermedades o tratamientos farmacológicos», explica Hirata Miyasaki.
Una de las claves del nuevo microscopio es el uso de elementos ópticos difractivos que distribuyen los diferentes planos focales a través de la matriz de 25 cámaras. Estos elementos ópticos, que utilizan microestructuras para manipular la luz, permiten un control más complejo de la misma mediante componentes más delgados y ligeros que los componentes ópticos tradicionales, como los prismas. Esta innovación no solo facilita la imagen de alta velocidad, sino que también soporta la compatibilidad con modalidades sin etiquetas, un aspecto crucial para aplicaciones como la embriología, donde es fundamental mantener la fisiología nativa.
Los investigadores también han desarrollado un software que gestiona el desafío de sincronizar y adquirir datos de 25 cámaras diferentes de manera simultánea. «Cuando se combinan, las 25 imágenes, todas adquiridas al mismo tiempo y sin escaneo mecánico ni partes móviles, forman una instantánea 3D completa», añade Hirata Miyasaki.
El sistema M25 se puede utilizar tanto para modalidades de fluorescencia como para técnicas sin etiquetas, como la microscopía de campo brillante y polarización. Esta versatilidad hace que el M25 sea ideal para aplicaciones científicas que requieren imágenes sensibles sin introducir colorantes o etiquetas, lo que preserva la integridad de los sistemas biológicos.
Con el prototipo validado, los investigadores han confirmado que el microscopio puede capturar 25 planos focales distintos y espaciados de manera uniforme, sin distorsión ni superposición, al realizar imágenes de objetivos de calibración. Además, han utilizado el microscopio para obtener imágenes de organismos biológicos vivos, como C. elegans y D. melanogaster, demostrando la capacidad de imagen 3D en tiempo real de organismos en movimiento.
En la senda hacia el futuro, los investigadores planean ampliar aún más la escala y las aplicaciones del sistema, utilizando los ricos datos de imagen para entrenar modelos de aprendizaje automático que puedan identificar estados celulares, rastrear comportamientos dinámicos y detectar cambios relacionados con enfermedades directamente a partir de las imágenes capturadas.
