Investigadores de los Institutos Nacionales de Salud y la Universidad de Chicago mejoraron la velocidad, la resolución y la eficiencia de la luz de un microscopio óptico al cambiar de un cubreobjetos de vidrio convencional a un cubreobjetos de espejo reflectante y aplicar nuevos algoritmos informáticos para procesar los datos resultantes.
Hari Shroff, Ph.D., jefe de la sección de laboratorio de imágenes ópticas de alta resolución (HROI) del Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería, y su equipo han pasado los últimos años desarrollando microscopios ópticos que producen imágenes de alta resolución a muy alta velocidad. . Después de que su laboratorio desarrolla estos nuevos microscopios, lanzan los planes y el software de forma gratuita, para que cualquier investigador pueda replicar los avances realizados en los NIH.
Este último microscopio se basa en mejoras anteriores que el laboratorio de Shroff había realizado con microscopía de iluminación de plano selectivo (SPIM). Los desarrollos se describen en un artículo publicado el 13 de noviembre de 2017, en la edición avanzada en línea de Comunicaciones de la naturaleza. Los sistemas SPIM se diferencian de los microscopios tradicionales porque utilizan láminas de luz para excitar la muestra, y solo exponen a la luz el plano de la muestra de la imagen. Debido a que solo la parte de la muestra que se está fotografiando (en lugar de la muestra completa) está expuesta a la luz, hay menos daño general a la muestra. Por lo tanto, los sistemas SPIM son más suaves que los microscopios tradicionales.
En 2013, Shroff y su colega en el laboratorio HROI, Yicong Wu, desarrollaron diSPIM, un sistema SPIM equipado con dos lentes para obtener dos vistas de la muestra en lugar de solo una. Así como el uso de dos ojos proporciona mucha mejor profundidad y percepción tridimensional que el uso de un solo ojo, el microscopio de doble vista permite obtener imágenes en 3D con mucha mayor claridad y resolución que las imágenes tradicionales de una sola vista. En 2016, agregaron una tercera lente, lo que demuestra que esta vista adicional puede mejorar aún más la eficiencia de la luz y la resolución en imágenes 3D.
«Una vez que incorporamos tres lentes, nos dimos cuenta de que cada vez era más difícil agregar más», dijo Shroff. «No porque hayamos llegado al límite de nuestras capacidades computacionales, sino porque nos quedamos sin espacio físico».
Las lentes utilizadas para obtener imágenes de las muestras son voluminosas y deben estar cerca de las muestras para obtener una imagen clara de la estructura subcelular detallada dentro de una sola célula o el desarrollo neuronal dentro de un embrión de gusano. El espacio alrededor de la muestra se vuelve cada vez más limitado con cada lente adicional.
La solución de Wu y Shroff fue conceptualmente simple y relativamente económica. En lugar de tratar de encontrar formas de meter más lentes, usan cubreobjetos espejados.
«Es muy parecido a mirarse en un espejo», explicó Shroff. «Si miras una escena en un espejo, puedes ver perspectivas que de otro modo estarían ocultas. Usamos este mismo principio con el microscopio. Podemos ver la muestra de manera convencional usando las vistas habituales habilitadas por las propias lentes, mientras que al mismo tiempo registrando las imágenes reflejadas de la muestra proporcionadas por el espejo».
Una complicación es que tanto la vista convencional como la reflejada contienen un fondo no deseado generado por la fuente de luz. Para hacer frente a este problema, Wu y Shroff colaboraron estrechamente con el grupo de Patrick La Riviere en la Universidad de Chicago. La Riviere es experta en imágenes computacionales y ayudó al equipo a crear un software de procesamiento informático que puede identificar y eliminar el fondo no deseado y aclarar la imagen.
Usando los cubreobjetos espejados junto con el software de la computadora, el equipo pudo mejorar la velocidad al doble y casi duplicar la resolución en comparación con los sistemas diSPIM convencionales sin cambiar el hardware del microscopio. Un beneficio adicional de la técnica es que con cubreobjetos espejados, el microscopio puede recolectar más luz de la muestra sin aumentar la exposición general a la luz de la muestra. Como resultado, aumenta la eficiencia de dos a tres veces en comparación con diSPIM. Los investigadores esperan que en el futuro esta técnica pueda adaptarse a otras formas de microscopía.
