Um conceito para um novo microscópio de raios-X promete imagens tridimensionais de objetos delicados, como células biológicas, usando radiação mil vezes menos prejudicial do que os métodos convencionais. O novo microscópio permitiria a imagem de células inteiras em alta resolução em seu ambiente nativo, sem congelar, cortando ou manchando-os. Pablo Villanueva-Perez, cientistas do DESY, Saša Bajt e Henry Chapman do Center for Free-Electron laser Science (CFEL) apresentam seu conceito na revista Optica . O estudo de simulação fornece uma perspectiva brilhante para a atualização planejada do anel de armazenamento PETRA III do DESY para uma fonte de raios-X de próxima geração, PETRA IV.

A obtenção de imagens das estruturas das células biológicas em escala nanométrica geralmente requer raios-X, já que seus comprimentos de onda curtos permitem resolver os pequenos detalhes. "Contudo, Os raios X também depositam energia que danifica rapidamente as amostras biológicas, "diz Villanueva-Perez. A rapidez com que ocorrem os danos da radiação depende das características do objeto em estudo e da energia dos raios X utilizados, mas, na prática, é o fator limitante para resolução e sensibilidade das técnicas de imagem de raios-X atuais.

As imagens de raios-X podem ser formadas por uma variedade de meios. As radiografias familiares de dentes ou ossos quebrados dependem da absorção - o osso denso deixa uma sombra escura na imagem onde os fótons de raios-X são absorvidos. Um microscópio de raios-X construído para células de imagem geralmente depende do espalhamento elástico dos raios-X na amostra para obter imagens de resolução muito mais alta. Isso é semelhante a como as imagens são formadas em um microscópio óptico. Embora o espalhamento elástico de raios-X não transfira energia, em todos os microscópios de raios-X construídos até hoje, tais processos de dispersão acontecem com muito menos frequência do que a absorção real. "Na realidade, o espalhamento não pode ocorrer sem que uma fração da energia do fóton seja depositada na amostra, produzindo dano de radiação, "diz Villanueva-Perez.

Os objetos absorvem muito menos quanto mais energéticos são os fótons de raios-X. Contudo, tais altas energias não foram consideradas úteis para microscopia de alta resolução, uma vez que o espalhamento elástico também diminui e outra forma de espalhamento se torna predominante. Neste processo inelástico, também conhecido como espalhamento Compton, o raio X perde parte de sua energia para o objeto à medida que ricocheteia em um átomo e, no processo, altera o comprimento de onda. Isso geralmente produz um fundo indesejado sem características ou neblina na imagem, deteriorando a qualidade da imagem e da amostra.

O insight da equipe foi que em energias de fótons de raios-X muito altas de 64 quiloeletronvolts (keV), há muito mais eventos de espalhamento Compton para uma determinada quantidade de energia depositada na célula do que para espalhamento elástico nas energias convencionais de fótons mais baixas exploradas por técnicas atuais. Uma imagem detalhada pode então ser construída rasterizando um ponto focado de raios-X na célula e mapeando o espalhamento total detectado em cada local. Surpreendentemente, a análise mostrou que a dose pode ser reduzida por um fator de 1000 para uma determinada resolução. "Ninguém realmente pensou em tentar microscopia biológica com energias tão altas, "explica Chapman." Não existiam fontes de raios-X brilhantes, não havia como focar o feixe, e não havia detectores. "

A equipe encontrou soluções para esses desafios. A equipe de Bajt desenvolveu recentemente uma lente inovadora a partir de um "metamaterial" de multicamadas artificial que oferece o menor foco de raios-X já alcançado. "A eficiência de nossas lentes multicamadas fica muito melhor com o aumento da energia, e eles fazem manchas ainda menores, "diz Bajt." Portanto, eles são ideais para construir nosso microscópio. "

A fonte de raios-X PETRA IV, atualmente em fase de planejamento, fornecerá feixes de brilho de raios-X muito mais alto nas altas energias de fótons exigidas do que é possível hoje. Isso ainda deixa o detector. "O detector ideal deve envolver a amostra, para coletar todos os fótons espalhados em todas as direções, "explica Villanueva-Perez. Isso pode ser construído usando a tecnologia de hoje. Uma vez realizado, esses ingredientes permitirão aos cientistas escanear células inteiras e organelas com resolução de alguns nanômetros em todas as três dimensões, em seu estado natural - cumprindo um desejo generalizado dos biólogos. Até então, os cientistas planejam testar seu novo conceito com amostras biológicas nas melhores fontes de raios-X atuais, como PETRA III, com detectores convencionais.