La Nueva Tecnología De Microscopio Revela Las Células Con Un Detalle Sin Precedentes

Células de un ojo de pez cebra, computacionalmente “explotaron”. Video de Liu et al

Hace más de 350 años, el filósofo natural inglés Robert Hooke miró a través de un microscopio una delgada rodaja de corcho y descubrió que estaba hecha de pequeños compartimentos en forma de caja, a los que llamó “células”.

A partir de ese momento, Hooke e innumerables mentes inquisitivas después de él se esforzaron por tener una mejor visión de estos pilares fundamentales de la vida. Y ahora, la ventana al mundo celular se ha vuelto mucho más clara.

En un nuevo estudio que aparece en la edición del 20 de abril de Science, investigadores del campus de investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes (HHMI), la Facultad de Medicina de Harvard e instituciones colaboradoras informan sobre el desarrollo de un microscopio capaz de capturar, con un detalle sin precedentes, imágenes en 3D. y videos de células dentro de organismos vivos.

Las películas en 3D de Microscope capturan detalles sin precedentes de las células

Una célula cancerosa (verde) se abre paso a través de la pared de un vaso sanguíneo (violeta). Video de Rick Groleau y Kevin Jiang

Adaptando una técnica utilizada por los astrónomos para estudiar estrellas distantes, el equipo de investigación, dirigido por el premio Nobel y líder del grupo Janelia Eric Betzig, mostró la nueva tecnología generando una serie de películas asombrosas: células cancerosas arrastrándose por los vasos sanguíneos, células nerviosas espinales conectadas en circuitos, células inmunes que atraviesan el oído interno de un pez cebra y mucho más.

La resolución del microscopio es tan poderosa que incluso puede capturar detalles subcelulares como la dinámica de las burbujas minúsculas conocidas como vesículas, que transportan la carga molecular hasta la célula.

“Este es el milagro de poder ver lo que nunca antes habíamos podido ver. Es simplemente increíble ”, dijo el coautor del estudio, Tomas Kirchhausen, profesor de biología celular del HMS, presidente de pediatría de la familia Springer e investigador principal del Boston Children’s Hospital.

Las películas en 3D capturan detalles de celdas sin precedentes

Los neutrófilos (centro) devoran azúcares marcados con colores (azul) en un ojo de pez cebra en desarrollo, y las células sanguíneas (arriba) se disparan a través de un capilar. Video de Rick Groleau y Kevin Jiang

“Cada vez que hicimos un experimento con este microscopio, observamos algo novedoso y generamos nuevas ideas e hipótesis para probar”, dijo Kirchhausen. “Se puede utilizar para estudiar casi cualquier problema en un sistema u organismo biológico que se me ocurra”.

Si bien los científicos han usado microscopios para observar las células durante siglos, las vistas más claras hasta ahora provienen de células aisladas en portaobjetos de vidrio. Visualizar células vivas en tiempo real dentro de organismos vivos sigue siendo mucho más desafiante.

Las células de interés están rodeadas de tejidos y otras estructuras biológicas que mezclan la luz que proviene y vuelve a un objetivo de microscopio, lo que difumina y oscurece detalles importantes. La luz lo suficientemente potente como para penetrar las estructuras biológicas y producir una visión más nítida de las células, por otro lado, puede dañar los tejidos.

“Esto plantea la persistente duda de que no estamos viendo células en su estado nativo, felizmente instaladas en el organismo en el que evolucionaron”, dijo Betzig, quien es el autor correspondiente del estudio. “A menudo se dice que ver para creer, pero cuando se trata de biología celular, creo que la pregunta más apropiada es: ‘¿Cuándo podemos creer lo que vemos?'”


A La nueva tecnología de microscopio nos permite ver células y tejidos como nunca antes lo habíamos visto.

Betzig y sus colegas aplicaron este principio al mundo microscópico, utilizando un láser de dos fotones para crear un sistema de óptica adaptativa que mantiene la iluminación fina de una hoja de luz de celosía cuando penetra en un organismo para generar imágenes sin distorsión de su objetivo.

El equipo validó el nuevo microscopio de hoja de luz de celosía / óptica adaptativa en una variedad de muestras biológicas, llevando a cabo gran parte del trabajo a través de los laboratorios de Kirchhausen y Sean Megason, profesor asociado de biología de sistemas de HMS.

Para dar sentido a los datos que generaron, el equipo creó software personalizado y flujos de trabajo computacionales y de visualización, encabezados por los coautores principales del estudio, Gokul Upadhyayula, instructor de HMS en pediatría en Boston Children’s e investigador asociado en el laboratorio de Kirchhausen, y Tsung-Li Liu. , ex científico investigador en el laboratorio de Betzig en el HHMI.

“Para los tipos de datos que generamos, no existe un software comercial que podamos usar para crear películas interpretables y extraer información biológicamente significativa, por lo que construimos las herramientas necesarias”, dijo Upadhyayula. “Esto nos permitió comprender lo que adquirimos y visualizar los datos de manera significativa, incluidas, en un futuro cercano, películas en 3D totalmente interactivas”.

En foco

Los resultados fueron notables. En una película, una célula inmune naranja ardiente se retuerce locamente por la oreja de un pez cebra mientras recoge partículas de azúcar azul en el camino. En otro, una célula cancerosa migrante arrastra apéndices pegajosos mientras rueda a través de un vaso sanguíneo e intenta atravesar la pared del vaso.

El equipo capturó películas del comportamiento de los orgánulos a medida que se remodelan dentro de las células durante la división celular, e incluso visualizó en tiempo real y con detalles casi moleculares el proceso de endocitosis mediada por clatrina, que las células utilizan para capturar materiales de su entorno exterior. .

“Trabajo para comprender cómo las células ‘comen’ usando maquinaria basada en portadores vesiculares, y toda mi vida he soñado con ver esto en un organismo vivo”, dijo Kirchhausen. “Finalmente lo hemos logrado”.

La complejidad del entorno multicelular 3-D puede ser abrumadora, dijo Betzig, pero la claridad de las imágenes permite a los investigadores “explotar” computacionalmente las células individuales en el tejido para centrarse en la dinámica dentro de cualquiera en particular.

“Es como ‘Star Trek’. Es la era de la exploración nuevamente ”, dijo Upadhyayula. “Ni siquiera sabemos qué preguntas hacer todavía porque nunca hemos visto algunas de estas biologías con este nivel de detalle”.

Todo este detalle es difícil de ver sin la óptica adaptativa, dijo Betzig. “Es demasiado confuso”. En su opinión, la óptica adaptativa es una de las áreas más importantes en la investigación de microscopía actual, y el microscopio de celosía de hoja de luz, que sobresale en imágenes en vivo 3-D, es la plataforma perfecta para mostrar su poder.

El siguiente paso es hacer que la tecnología sea asequible y fácil de usar. El microscopio actual ocupa una mesa de 10 pies de largo. En colaboración con Kirchhausen y Upadhyayula, el equipo de Betzig está trabajando en una versión de próxima generación que debería caber en un pequeño escritorio a un costo al alcance de los laboratorios individuales.

El primero de estos instrumentos irá al Centro de Imágenes Avanzadas de Janelia, donde científicos de todo el mundo pueden postularse para usarlo. Un segundo instrumento construido al mismo tiempo se ubicará en el laboratorio de Kirchhausen en el HMS Quad en Boston. También estarán disponibles planes para construir el instrumento.

Publicación: Tsung-Li Liu, et al., “Observación de la célula en su estado nativo: dinámica subcelular de imágenes en organismos multicelulares”, Science, 20 de abril de 2018: Vol. 360, edición 6386, eaaq1392; DOI: 10.1126 / science.aaq1392

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