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Innovaciones en microscopía revelan características biológicas inéditas

Los microscopios son fundamentales para los científicos y médicos a la hora de hacer frente a enfermedades como la COVID-19, pero, a pesar de los avances, la mayoría siguen teniendo una resolución de imagen limitada. NanoChemBioVision ha desarrollado técnicas para mejorar su potencia.

Salud

La microscopía convencional está limitada por el funcionamiento de las ondas luminosas. Cuando la luz incide en una superficie se difracta o se desvía, lo que significa que solo puede centrarse en un punto finito. En los microscopios ópticos más potentes, este punto tiene un diámetro de en torno a la mitad de la longitud de onda de la luz visible, por debajo de los 200 nanómetros. El proyecto NanoChemBioVision, respaldado por el Consejo Europeo de Investigación, desarrolló dos métodos para lograr una resolución ultraalta más allá de ese límite de difracción. «Ambos métodos logran de forma únicasuperresolución sin necesidad de marcas fluorescente que manchan, afectan o modifican genéticamente las muestras», explica Sumeet Mahajan, coordinador del proyecto de la Universidad de Southampton, la entidad anfitriona del proyecto. «Las aplicaciones biomédicas podrían mejorar significativamente la salud pública. Por ejemplo, estos métodos podrían obtener imágenes de partículas víricas, incluido el SARS-CoV-2, lo que ofrece información sobre su composición química y estructura y contribuye a los esfuerzos para combatir la enfermedad». Hasta el momento se ha concedido una patente y la otra está pendiente.

Detalle subcelular sin marcado

Durante los últimos veinte años, se ha producido un auge repentino en imagenología biológica tras el descubrimiento de la proteína verde fluorescente y la invención de los métodos ópticos fluorescentes de superresolución. Los investigadores de ciencias de la vida pueden ahora tomar imágenes de características celulares con un detalle sin precedentes. Sin embargo, estos marcadores fluorescentes menoscaban algunas funciones y características de la imagenología. La imagenología vibracional ofrece una solución sin marcado y, además, brinda información química y estructural adicional. Todas las moléculas vibran de formas específicas, por lo que ofrecen «huellas» moleculares. NanoChemBioVision utilizó espectroscopia infrarroja y espectroscopia Raman para leer estas huellas. El equipo también investigó otra técnica sin marcado de generación de armónicos y fluorescencia de dos fotones, en la que dos fotones se combinan para ofrecer imágnes ópticas de estructuras y moléculas. NanoChemBioVision aplicó estas técnicas sin marcado tanto al método de superoscilación como al método de nanojets fotónicos. El primer método da forma al haz de propagación de la luz mediante su modulación en intensidad y tiempo para obtener un punto de luz muy pequeño para imagenología. El segundo aprovecha el efecto de las microesferas en un haz de luz. Las microesferas, formadas por un material más denso que el medio, focalizan la luz hasta un punto nanométrico. Varias simulaciones aplicaron la superoscilación en microscopios estándar de un único fotón o multifotónicos para establecer los parámetros óptimos de modulación de la luz. Esto genera una mejora del 30 % al 70 % en la resolución limitada por la difracción. Por ejemplo, las superoscilaciones combinadas con fluorescencia de dos fotones tomaron imágenes de nanopartículas de oro, con una resolución más allá del límite de la difracción. La técnica fotónica de generación del segundo armónico asistida por nanojets se aplicó a muestras biológicas como las fibras de colágeno de tejidos de ratones y consiguió resultados con un detalle sin precedentes. Se demostró una resolución por debajo de 125 nanómetros, la cual es 2-3 veces mejor que la de la imagenología limitada por la difracción. Esta técnica también diagnosticó enfermedades pulmonares mediante la toma de imágenes de muestras de fibrosis pulmonar idiopática. Se observaron cambios en el colágeno a nanoescala, algo invisible para la imagenología limitada por la difracción. Diferenció claramente entre muestras tratadas con fármacos o factores de crecimiento y muestras sanas. «Esta mejora ofrece nuevas capacidades de imagenología con superresolución de tejidos y células, la cual, además de no utilizar marcadores, también adquiere simultáneamente información química y estructural que antes no era posible», afirma Mahajan. El equipo está trabajando con socios en el Centro de Investigación Optoelectrónica de Southampton para el desarrollo de métodos que reduzcan los costes y el tamaño de los sistemas de láser necesarios para la imagenología multifotónica. También están mejorando la sensibilidad del sistema y ampliando sus capacidades a una gama versátil de tejidos, células, enfermedades y afecciones. Además, están aumentando la profundidad de penetración de las técnicas para facilitar la obtención de imágenes de resolución ultraalta de capas de tejidos más profundos.

Palabras clave

NanoChemBioVision, microscopios, microscopía, imagenología, fotones, nano, COVID, resolución, oscilación, difracción, sin marcadores, luz

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