Un nuevo microscopio de Stanford permite observar células vivas como nunca antes

Un equipo de investigadores de Stanford University presentó un revolucionario microscopio que permite observar los diminutos componentes de las células vivas en tiempo real, ofreciendo una vista excepcionalmente detallada sin necesidad de etiquetas fluorescentes, que suelen interferir con las observaciones.

Este nuevo sistema de imágenes, conocido como Interferometric Image Scanning Microscopy (iISM), combina dos técnicas avanzadas de microscopía para lograr una resolución de aproximadamente 120 nanómetros, un nivel de detalle sin precedentes que no requiere el uso de marcadores fluorescentes.

El microscopio permite a los científicos observar múltiples estructuras celulares simultáneamente mientras estas se mueven, cambian y responden a su entorno. Esto abre la posibilidad de investigar cómo las células interactúan con fármacos o agentes patógenos, lo que podría revelar procesos biológicos que han sido difíciles de estudiar hasta ahora.

La investigación, publicada en la revista Light: Science and Applications, sugiere que este avance podría tener un impacto significativo en la investigación sobre el cáncer, el desarrollo de medicamentos, los estudios de enfermedades infecciosas y la interacción de las plantas con microorganismos.

El autor principal, W.E. Moerner, profesor de química en la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford, destacó: "Este nuevo microscopio proporciona una vista fantástica dentro de la célula, donde se pueden ver las pequeñas estructuras y máquinas en movimiento, cambiando e interactuando sin necesidad de añadir fluorescencia para observarlas".

Una de las ventajas más importantes del nuevo microscopio es su capacidad para revelar la actividad celular sin depender de marcadores fluorescentes. Muchos métodos de microscopía existentes utilizan sustancias fluorescentes para resaltar estructuras específicas dentro de las células. Aunque estas técnicas han transformado la investigación biológica, presentan limitaciones, como la dificultad de etiquetar un número significativo de estructuras a la vez.

Además, las señales fluorescentes pueden desvanecerse durante la observación, un fenómeno conocido como fotodegradación. Introducir etiquetas también puede ser complicado, y algunos marcadores pueden alterar el comportamiento de las estructuras que los científicos desean estudiar. El sistema de Stanford evita estos problemas al imaginar células sin etiquetas fluorescentes, lo que permite a los investigadores seguir numerosos componentes celulares durante períodos prolongados en un entorno más natural.

Otro beneficio es que el iISM requiere menos potencia de iluminación que los métodos comparables que producen imágenes de alto contraste sin etiquetas. La menor exposición a la luz reduce la posibilidad de daño fotográfico, que ocurre cuando la luz utilizada para la imagen daña las células vivas o interfiere con sus funciones normales.

Aunque otros microscopios especializados pueden lograr una resolución más fina, la combinación de imágenes detalladas, iluminación suave y observación prolongada hace que el iISM sea particularmente valioso para el estudio de sistemas biológicos vivos.

Los investigadores enfatizaron que su tecnología está destinada a complementar la microscopía de fluorescencia, en lugar de reemplazarla. La primera autora, Michelle Kueppers, una becaria postdoctoral en el laboratorio de Moerner, explicó que combinar las fortalezas de diferentes enfoques de imagen podría ayudar a los científicos a responder preguntas que antes eran inaccesibles.

La innovación proviene de la combinación de dos tecnologías de microscopía, cada una con sus propias ventajas. Moerner recibió el Premio Nobel de Química en 2014 por sus contribuciones pioneras a la microscopía de fluorescencia de superresolución y reclutó a Kueppers en Stanford debido a su investigación doctoral sobre una técnica llamada "microscopía de dispersión interferométrica".

Este método se basa en una propiedad familiar de la luz: la dispersión. La luz cambia de dirección al encontrarse con partículas diminutas, fenómeno que explica por qué el cielo parece azul. La microscopía de dispersión interferométrica aprovecha este comportamiento a una escala mucho más pequeña.

Un láser ilumina una célula, lo que provoca que las diminutas estructuras dentro de ella dispersan parte de la luz entrante. Dado que la señal dispersada es extremadamente débil, se utiliza un segundo rayo láser para amplificarla mediante interferencia, permitiendo al microscopio detectar estructuras que de otro modo serían difíciles de observar.

El equipo de Stanford mejoró este enfoque combinándolo con tecnología adaptada de microscopios confocales avanzados, que utilizan una apertura pequeña llamada pinhole y un único detector para aislar la luz de un área seleccionada. Las versiones más avanzadas reemplazan este arreglo con matrices de detectores basadas en cámaras que pueden recopilar múltiples vistas de la misma región.

El microscopio desarrollado por el equipo permite recolectar más luz que un sistema convencional basado en un pinhole y un único detector. La ventaja de recolectar múltiples perspectivas es similar a cómo funciona la visión humana, donde nuestros dos ojos observan el mundo desde posiciones ligeramente diferentes, ayudando al cerebro a distinguir objetos cercanos de aquellos más lejanos.

La nueva tecnología permite que el detector recoja decenas a cientos de vistas, y los investigadores desarrollaron un método computacional que combina estas mediciones para generar imágenes con mayor nitidez, contraste, información de profundidad y precisión.

Al fusionar las fortalezas de la microscopía de dispersión interferométrica y las matrices de detectores avanzados, el equipo creó un instrumento capaz de resolver estructuras tan pequeñas como aproximadamente 120 nanómetros. Esta escala permite a los investigadores examinar estructuras celulares extremadamente pequeñas y seguir sus movimientos e interacciones.

Crucialmente, el microscopio logra esta resolución sin sacrificar la velocidad de imagen o requerir una intensa iluminación láser, lo que permite a los científicos observar células vivas durante períodos más largos minimizando el riesgo de perturbar o dañar las mismas.

Los investigadores continúan refinando el instrumento con el objetivo de hacerlo accesible a científicos de diversas áreas de la biología. Ya se han iniciado o están en desarrollo tres colaboraciones con otros grupos de investigación de Stanford, lo que demuestra la variedad de preguntas que la tecnología podría ayudar a investigar.

Un proyecto utiliza el microscopio para observar las interacciones entre células vegetales, hongos y bacterias en tiempo real, con la esperanza de comprender mejor las complejas relaciones entre plantas y microbios. Otra colaboración se centra en el tratamiento del cáncer, donde se investiga cómo un fármaco oncológico entra en una célula, proporcionando información valiosa sobre cómo los medicamentos interactúan con sus objetivos.

Un tercer proyecto, aún en fase de planificación, examinará cómo los glóbulos rojos cambian de forma cuando están expuestos a la infección por malaria. Observar estos cambios físicos podría ofrecer nuevas perspectivas sobre cómo la enfermedad afecta a las células sanguíneas.

Estas aplicaciones ilustran por qué los investigadores creen que su microscopio podría convertirse en una herramienta útil en numerosas disciplinas científicas, en lugar de servir solo a un área de investigación específica. Kueppers concluyó: "Esta no es una técnica de nicho; tiene aplicaciones amplias y esperamos que la comunidad de ciencias de la vida se beneficie, lo que conducirá a muchos nuevos descubrimientos".