Os pesquisadores usaram abordagens de imagem avançadas para obter microscopia de super-resolução em velocidades sem precedentes. O novo método deve permitir capturar os detalhes dos processos que ocorrem nas células vivas em velocidades que antes não eram possíveis.

Técnicas de super-resolução, frequentemente chamada de nanoscopia, alcançar resolução em nanoescala superando o limite de difração da luz. Embora a nanoscopia possa capturar imagens de moléculas individuais dentro das células, é difícil de usar com células vivas porque centenas ou milhares de quadros de imagem são necessários para reconstruir uma imagem - um processo lento demais para capturar dinâmicas que mudam rapidamente.

No Optica , O jornal da The Optical Society (OSA) para pesquisas de alto impacto, investigadores da Academia Chinesa de Ciências descrevem como usaram a abordagem de imagem não convencional conhecida como imagem fantasma para aumentar a velocidade de imagem da nanoscopia. A combinação produz resolução nanométrica usando ordens de magnitude menos quadros de imagem do que as técnicas tradicionais de nanoscopia.

"Nosso método de imagem pode potencialmente sondar a dinâmica que ocorre em escalas de tempo de milissegundos em estruturas subcelulares com resolução espacial de dezenas de nanômetros - a resolução espacial e temporal em que os processos biológicos ocorrem, "disse Zhongyang Wang, co-líder da equipe de pesquisa.

Combinando técnicas para obter imagens mais rápidas

A nova abordagem é baseada em microscopia óptica de reconstrução estocástica (STORM), que foi uma das três técnicas de super-resolução a serem reconhecidas com o prêmio Nobel em 2014. STORM, que também é chamado de microscopia de localização fotoativada (PALM), é uma técnica de campo amplo que usa rótulos fluorescentes que alternam entre os estados de emissão de luz (ligado) e escuro (desligado). Adquirindo centenas ou milhares de instantâneos, cada um capturando o subconjunto de rótulos fluorescentes que estão ligados em um determinado momento, permite que a localização de cada molécula seja determinada e usada para reconstruir uma imagem de fluorescência.

Os pesquisadores se voltaram para a imagem fantasma para acelerar o processo de imagem STORM. A imagem fantasma forma uma imagem correlacionando um padrão de luz que interage com o objeto com um padrão de referência que não interage. Individualmente, os padrões de luz não carregam nenhuma informação significativa sobre o objeto. Os pesquisadores também usaram imagens compressivas, uma abordagem computacional que permite a reconstrução da imagem com menos exposições porque usa um algoritmo para preencher as informações ausentes.

"Embora o STORM exija uma baixa densidade de rótulos fluorescentes e muitos quadros de imagem, nossa abordagem pode criar uma imagem de alta resolução usando muito poucos quadros e uma alta densidade de fluoróforos, "disse o co-líder da equipe de pesquisa Shensheng Han." Também não precisa de nenhuma iluminação complexa, que ajuda a reduzir o fotobranqueamento e a fototoxicidade que podem prejudicar os processos biológicos dinâmicos e as células vivas. "

Melhorar a eficiência da imagem

Para implementar a nova técnica, os pesquisadores usaram um componente óptico conhecido como modulador de fase aleatória para transformar a fluorescência da amostra em um padrão de manchas aleatórias. Codificar a fluorescência desta forma permitiu que cada pixel de uma câmera CMOS muito rápida coletasse a intensidade da luz de todo o objeto em um único quadro. Para formar a imagem por meio de imagem fantasma e imagem compressiva, esta intensidade de luz foi correlacionada com um padrão de luz de referência em uma única etapa. O resultado foi uma aquisição de imagem mais eficiente e uma redução no número de quadros necessários para formar uma imagem de alta resolução.

Os pesquisadores testaram a técnica usando-a para criar imagens de um anel de 60 nanômetros. A nova abordagem de nanoscopia poderia resolver o anel usando apenas 10 quadros de imagem, enquanto as abordagens tradicionais de STORM precisavam de até 4.000 quadros para atingir o mesmo resultado. A nova abordagem também resolveu uma régua de 40 nanômetros com 100 quadros de imagem.

"Esperamos que este método possa ser aplicado a uma variedade de amostras fluorescentes, incluindo aqueles que exibem fluorescência mais fraca do que aqueles usados ​​nesta pesquisa, "disse Wang. Os pesquisadores também querem tornar a técnica mais rápida para obter imagens de vídeo-taxa com um grande campo de visão e planejam usá-la para adquirir imagens 3-D e coloridas.