Os cientistas têm usado a microscopia de fluorescência para estudar o funcionamento interno de células biológicas e organismos por décadas. Contudo, muitas dessas plataformas são frequentemente lentas demais para seguir a ação biológica em 3-D; e muito prejudicial para os espécimes biológicos vivos com iluminação forte.

Para enfrentar esses desafios, uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Kevin Tsia, Professor Associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica e Diretor do Programa de Bacharelado em Engenharia Biomédica da Universidade de Hong Kong (HKU), desenvolveu uma nova tecnologia de imagem óptica - microscopia de matriz de folha de luz codificada (CLAM) - que pode realizar imagens 3-D em alta velocidade, e é eficiente em termos de energia e suave o suficiente para preservar espécimes vivos durante o escaneamento em um nível que não é alcançado pelas tecnologias existentes.

Esta tecnologia de imagem avançada foi publicada recentemente em Light:Ciência e Aplicações . Um pedido de patente nos EUA foi apresentado para a inovação.

"CLAM permite imagens de fluorescência 3-D em alta taxa de quadros comparável à tecnologia de ponta (volumes de ~ 10 por segundo). Mais importante, é muito mais eficiente em termos de energia, sendo mais de 1, 000 vezes mais suave do que os microscópios 3-D padrão amplamente usados ​​em laboratórios científicos, o que reduz muito o dano causado a espécimes vivos durante o exame, "explicou a Dra. Tsia.

As plataformas de microscopia biológica 3-D existentes são lentas porque todo o volume da amostra deve ser sequencialmente digitalizado e captado ponto a ponto, linha a linha ou plano a plano. Nessas plataformas, um único instantâneo 3-D requer iluminação repetida na amostra. Os espécimes são frequentemente iluminados com milhares a milhões de vezes mais intensidade do que a luz do sol. É provável que isso danifique o próprio espécime, portanto, não é favorável para imagens biológicas de longo prazo para diversas aplicações, como ciências anatômicas, biologia do desenvolvimento e neurociência.

Além disso, essas plataformas muitas vezes esgotam rapidamente o "orçamento" limitado de fluorescência - uma restrição fundamental de que a luz fluorescente só pode ser gerada com a iluminação por um período limitado antes de desaparecer permanentemente em um processo chamado "foto-branqueamento, "que define um limite para quantas aquisições de imagem podem ser realizadas em uma amostra.

"A iluminação repetida na amostra não apenas acelera o foto-branqueamento, mas também gera luz fluorescente excessiva que eventualmente não forma a imagem final. Portanto, o 'orçamento' de fluorescência é amplamente desperdiçado nessas plataformas de imagem, "Dr. Tsia acrescentou.

O coração do CLAM está transformando um único feixe de laser em uma matriz de alta densidade de 'folhas de luz' com o uso de um par de espelhos paralelos, para se espalhar por uma grande área da amostra como excitação de fluorescência.

"A imagem dentro de todo o volume 3-D é capturada simultaneamente (ou seja, paralelizada), sem a necessidade de escanear a amostra ponto a ponto ou linha a linha ou plano a plano, conforme exigido por outras técnicas. Essa paralelização 3-D em CLAM leva a uma imagem de fluorescência 3-D muito suave e eficiente sem sacrificar a sensibilidade e a velocidade, "conforme apontado pelo Dr. Yuxuan Ren, pesquisador de pós-doutorado sobre o trabalho. CLAM também supera os métodos de imagem de fluorescência 3-D comuns na redução do efeito do foto-branqueamento.

Para preservar a resolução e qualidade da imagem no CLAM, a equipe recorreu à Multiplexação por Divisão de Código (CDM), uma técnica de codificação de imagem que é amplamente usada em telecomunicações para enviar vários sinais simultaneamente.

"Esta técnica de codificação nos permite usar um sensor de imagem 2-D para capturar e reconstruir digitalmente todas as pilhas de imagens em 3-D simultaneamente. O CDM nunca foi usado em imagens 3-D antes. Adotamos a tecnologia, que se tornou um sucesso, "explicado pelo Dr. Queenie Lai, outro pesquisador de pós-doutorado que desenvolveu o sistema.

Como uma demonstração de prova de conceito, a equipe aplicou o CLAM para capturar vídeos 3-D de fluxo rápido de micropartículas em um chip microfluídico a uma taxa de volume de mais de 10 volumes por segundo comparável à tecnologia de ponta.

"CLAM não tem limitação fundamental na velocidade de imagem. A única restrição é a velocidade do detector empregado no sistema, ou seja, a câmera para tirar fotos. Conforme a tecnologia de câmeras de alta velocidade avança continuamente, CLAM sempre pode desafiar seu limite para atingir uma velocidade ainda maior na digitalização, "destacado pelo Dr. Jianglai Wu, a pesquisa de pós-doutorado que iniciou o trabalho.

A equipe deu um passo adiante para combinar CLAM com a tecnologia de limpeza de tecidos recentemente desenvolvida da HKU LKS Faculty of Medicine para realizar a visualização 3-D de glomérulos de camundongo e vasculatura sanguínea do intestino em alta taxa de quadros.

"Prevemos que esta técnica combinada pode ser estendida para investigação histopatológica 3-D em grande escala de amostras biológicas de arquivo, como mapear a organização celular no cérebro para pesquisas em neurociência ", disse Tsia.

"Uma vez que a imagem CLAM é significativamente mais suave do que todos os outros métodos, ele favorece de maneira única a 'vigilância' contínua e de longo prazo do espécime biológico em sua forma viva. Isso pode impactar potencialmente nosso entendimento fundamental em muitos aspectos da biologia celular, por exemplo. acompanhar continuamente como um embrião animal se desenvolve em sua forma adulta; monitorar em tempo real como as células / organismos são infectados por bactérias ou vírus; para ver como as células cancerosas são mortas por drogas, e outras tarefas desafiadoras inalcançáveis ​​pelas tecnologias existentes hoje, "Dr. Tsia acrescentou.

CLAM pode ser adaptado a muitos sistemas de microscópio atuais com o mínimo de hardware ou modificação de software. Aproveitando isso, a equipe está planejando atualizar ainda mais o sistema CLAM atual para pesquisa em biologia celular, biologia do desenvolvimento animal e vegetal.