A equipe Columbia por trás do revolucionário microscópio 3-D SCAPE anuncia hoje uma nova versão desta tecnologia de imagem de alta velocidade. Em colaboração com cientistas de todo o mundo, eles usaram o SCAPE 2.0 para revelar detalhes nunca antes vistos de criaturas vivas - desde neurônios disparando dentro de um verme se contorcendo até a dinâmica 3-D do coração batendo de um embrião de peixe, com resolução muito superior e velocidades até 30 vezes mais rápidas do que sua demonstração original.

Essas melhorias para SCAPE, publicado hoje em Métodos da Natureza , promessa de impactar campos tão abrangentes como a genética, cardiologia e neurociência.

Por que ter mais rápido, Imagens 3-D são tão valiosas? "Os processos que impulsionam os seres vivos são dinâmicos e em constante mudança, da forma como as células de um animal se comunicam entre si, de como uma criatura se move e muda de forma, "disse Elizabeth Hillman, Ph.D., um investigador principal do Instituto de Comportamento Mente Cérebro Mortimer B. Zuckerman de Columbia e o autor sênior do artigo. "Quanto mais rápido podemos imaginar, quanto mais desses processos podemos ver - e a imagem rápida em 3-D nos permite ver todo o sistema biológico, em vez de apenas um único plano, oferecendo uma vantagem clara sobre os microscópios tradicionais. "

Quando a equipe do Dr. Hillman introduziu pela primeira vez a microscopia SCAPE (excitação planar alinhada confocamente por varredura), quatro anos atrás, sua abordagem desafiou suposições sobre como criar uma imagem de tecidos vivos em alta velocidade.

"A maioria dos microscópios que reproduzem amostras vivas faz a varredura de um pequeno ponto de luz laser ao redor da amostra, mas a abordagem de varredura pontual é lenta, dando apenas um curto tempo para ver cada local, "disse Venkatakaushik Voleti, Ph.D., o primeiro autor do artigo que desenvolveu o SCAPE 2.0 como candidato a doutorado no laboratório do Dr. Hillman. "Nosso sistema usa um oblíquo, ou angular, folha de luz para iluminar um plano inteiro dentro da amostra, e, em seguida, varre esta folha de luz através da amostra para formar uma imagem 3-D. "

Embora as amostras de imagem usando folhas de luz datem de mais de 100 anos, A engenhosidade do SCAPE reside na maneira como ele move rapidamente a lâmina de luz e focaliza a imagem dessa lâmina de volta para uma câmera estacionária usando um único espelho em movimento - tornando-a extremamente rápida e surpreendentemente simples. Além disso, SCAPE é gentil com amostras vivas porque usa apenas uma fração da luz que os microscópios de varredura pontuais precisariam para obter imagens em velocidades comparáveis. SCAPE consegue tudo isso por meio de um único, lente objetiva estacionária, abrindo espaço para uma ampla gama de amostras em comparação com microscópios de folha de luz convencionais que requerem câmaras de amostra complexas rodeadas por muitas lentes.

"As pessoas costumam se surpreender com o quão compacto, SCAPE simples e fácil de usar é, "disse o Dr. Hillman, que rotineiramente dirige sistemas SCAPE no porta-malas de seu carro para dar demonstrações práticas aos pesquisadores.

A equipe do Dr. Hillman está trabalhando para ajudar cientistas de todo o mundo a usar o SCAPE em suas próprias pesquisas, convidando cientistas para seu laboratório no Instituto Zuckerman de Columbia, ou ajudando-os a construir seus próprios sistemas, graças à concessão de apoio do National Institutes of Health BRAIN Initiative. Dr. Hillman também está trabalhando com a Leica Microsystems, que licenciaram o SCAPE e estão atualmente desenvolvendo uma versão comercial do sistema.

Dr. Hillman atribui amplo interesse em SCAPE 2.0 aos recentes avanços importantes na rotulagem fluorescente, que permite que os cientistas façam células específicas de um animal brilharem em cores diferentes, e pode até mesmo fazer as células piscarem quando estiverem sinalizando umas para as outras. Ela também observa o crescente impacto de pequenas, animais quase transparentes, como vermes C. elegans, embriões de peixe-zebra e moscas de fruta que podem ser observados durante comportamentos naturais, ou ser modificado para recapitular doenças humanas. SCAPE 2.0 está perfeitamente posicionado para capturar a sinfonia de eventos celulares, movimentos e respostas atuando nesses sistemas vivos.

"Em nosso novo jornal, mostramos como SCAPE 2.0 pode rastrear neurônios individuais disparando em um animal inteiro enquanto ele rasteja, dando-nos uma nova janela sobre como a atividade neural orienta o comportamento, "disse o Dr. Hillman, que também é professor de engenharia biomédica na Columbia Engineering.

Apesar de ser inspirado pelas necessidades da neurociência, Dr. Hillman observa que muitos dos métodos de rotulagem acima mencionados e modelos animais estão agora transformando outras áreas de pesquisa, permitindo que os cientistas explorem como as células tumorais cancerosas sinalizam umas para as outras, como as células imunológicas encontram seus alvos ou como o coração e o sistema cardiovascular são afetados por drogas e doenças.

"É realmente emocionante ver as técnicas, estimulado pela iniciativa BRAIN, tendo impactos cada vez mais amplos na ciência e na medicina ", disse o Dr. Hillman.

Reconhecendo esta oportunidade, Dr. Hillman fez parceria com a cardiologista pediátrica Kimara Targoff, MD, para colocar SCAPE 2.0 para trabalhar no estudo de como o coração se desenvolve. O laboratório do Dr. Targoff usa peixe-zebra como modelo animal para decifrar as mutações genéticas que podem causar malformações cardíacas no embrião. Compreender como essas mutações levam à doença pode informar os tratamentos para crianças que vivem com doenças cardíacas congênitas.

"O problema com a imagem do coração batendo é que ele bate rápido, mudando sua forma conforme o sangue flui em uma ampla gama de direções, "disse o Dr. Targoff. que é professor assistente de pediatria no Colégio de Médicos e Cirurgiões Vagelos de Columbia e co-autor do artigo de hoje." Com SCAPE 2.0, podemos imaginar o coração batendo do embrião do peixe-zebra em 3-D e em tempo real, permitindo-nos ver como os sinais de cálcio enviados entre as células do coração fazem com que a parede do coração se contraia, ou como os glóbulos vermelhos fluem através das válvulas do coração, batimento após batimento. Usando este conhecimento, podemos rastrear como uma determinada mutação genética afeta o desenvolvimento normal do coração em um ambiente que mais de perto recapitula o estado natural do coração. "

O desejo de seguir um único glóbulo vermelho enquanto ele viaja pelo coração batendo foi a força motriz por trás de ultrapassar os limites de velocidade do SCAPE 2.0.

Para alcançar essas velocidades sem precedentes, A equipe do Dr. Hillman trabalhou em estreita colaboração com a Lambert Instruments, aproveitando a câmera HiCAM Fluo ultrarrápida da empresa. Esta câmera foi usada para capturar imagens em mais de 18 anos, 000 quadros por segundo no coração pulsante do embrião do peixe-zebra. Essa nova configuração abriu a porta para o registro de neurônios individuais disparando em vermes C. elegans que se movem livremente, dando a primeira visão do sistema nervoso completo de um animal em ação. Outras atualizações do SCAPE 2.0 incluem maior eficiência de luz, um campo de visão maior e resolução espacial muito melhorada.

A resolução aprimorada do SCAPE 2.0 também permitiu à equipe imagens de amostras criadas usando limpeza de tecido e expansão de tecido. Esses métodos permitem que os cientistas vejam estruturas e conexões dentro de amostras intactas, de cérebros inteiros de camundongos a tumores e biópsias humanas. Embora essas amostras não estejam vivas, eles são muito grandes e demoram muito para serem reproduzidos em microscópios convencionais. O artigo de hoje demonstra que o SCAPE 2.0 pode criar imagens desses tipos de amostras em velocidades recordes.

Dra. Hillman e sua equipe continuam a desenvolver e melhorar o SCAPE para expandir ainda mais sua utilidade, enquanto trabalhava com um grupo cada vez maior de colaboradores, de neurocientistas do Zuckerman Institute ao vulcanologista Einat Lev Ph.D. de Columbia, que está usando o SCAPE para obter imagens da forma como as bolhas de gás se formam durante as erupções vulcânicas.

A equipe do Dr. Hillman também está desenvolvendo uma versão miniaturizada do SCAPE para uso médico, para distinguir rapidamente entre células saudáveis ​​e doentes dentro do corpo de um paciente, dando aos médicos uma nova maneira de orientar como realizar cirurgias complexas na sala de operação.

"As limitações das ferramentas e técnicas muitas vezes restringem o que os cientistas pensam que podem estudar, "disse o Dr. Hillman, que também é professor de radiologia no Vagelos College of Physicians and Surgeons de Columbia. "SCAPE 2.0 abre um novo panorama de coisas que podemos ver. Espero que nossos novos resultados inspirem os cientistas a pensar em que novas perguntas podem ser feitas, e quais novos caminhos de descoberta científica podemos explorar a seguir. "

Este artigo é intitulado "Microscopia volumétrica em tempo real da dinâmica in vivo e amostras em grande escala com SCAPE 2.0."