Gran avance: Primera imagen dentro de células vivas usando ultrasonido

ultrasonido-celularLos investigadores de la Universidad de Nottingham han desarrollado una nueva e innovadora técnica que utiliza el sonido en lugar de la luz para ver dentro de las células vivas, con una posible aplicación en los trasplantes de células madre, manipulación de óvulos y embriones así como en el diagnóstico del cáncer.  Resulta un gran y significativo avance ya que sobrepasa el límite de resolución óptica de la longitud de onda visible usada en células vivas.

Resúmen

La creación de imágenes de células vivas libres de marcadores por debajo del límite de difracción óptica plantea grandes desafíos para la microscopía óptica.

La información estructural biológicamente relevante permanece por debajo del límite de Rayleigh y está fuera del alcance de los microscopios convencionales.

Las técnicas de super resolución generalmente se basan en la respuesta no lineal y estocástica de los marcadores fluorescentes que pueden ser tóxicos e interferir con la función celular.

En este trabajo se presenta, por primera vez, imágenes de células vivas utilizando fonones de longitud de onda subópticos. La resolución de imágenes axiales de este sistema está determinada por la longitud de onda acústica (λa = λprobe / 2n) y no por la NA de la óptica permitiendo la sección acústica subóptica de longitudes de onda de muestras utilizando el tiempo de recorrido. La resolución transversal está actualmente limitada al tamaño del punto óptico.

El mecanismo de contraste está determinado de forma significativa por las propiedades mecánicas de las células y no requiere ningún agente de contraste, colorante o marcador adicional para la imagen de la estructura celular.

La capacidad de romper el límite óptico de la difracción a las células vivas para observar y crea imágenes acústicamente promete traer una nueva serie de tecnologías de proyección de imagen para afrontar y responder a las preguntas exigentes en biología celular y biomedicina.

ultrasonido fonón

En (a), se utiliza un impulso de luz (pump) para generar termoelásticamente un campo de fonón coherente en la película metálica. El campo de fonón (mostrado en dos posiciones en el tiempo, t1 y t2, por barras horizontales finas) es muestreado por un segundo haz de luz (probe). La interferencia de ambos haces de sondeo, uno directo y otro disperso induce una oscilación en la intensidad de luz de sonda detectada. La frecuencia de esta oscilación fB es una función de la velocidad del sonido. A medida que el campo del fonón viaja de un material con velocidad de sonido ν1 a otro material con velocidad de sonido ν2, la frecuencia detectada cambia según se muestra en (b). Dado que la longitud de onda del fonón es más corta que la óptica, es posible seccionar el volumen óptico mediante post-procesamiento sin necesidad de adquisición adicional, posicionamiento mecánico o cambio de enfoque.

La aplicación de la nueva técnica

La nueva técnica de ultrasonido a nanoescala utiliza longitudes de onda de sonido más cortas que las ópticas y que incluso podría competir con las técnicas ópticas de superresolución que ganaron el Premio Nobel de Química en 2014.

Este nuevo tipo de imágenes de fonón sub-óptico (sonido) proporciona información valiosa sobre la estructura, las propiedades mecánicas y el comportamiento de las células vivas individuales a una escala no alcanzada antes.

Los investigadores del grupo de óptica y fotónica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Nottingham están detrás del descubrimiento, que se publica en el artículo “Imágenes de alta resolución en 3-D de células vivas con fonones de longitud de onda subópticos” en la revista Scientific Reports .

“La gente está más familiarizada con el ultrasonido como una forma de mirar dentro del cuerpo, pero diciéndolo en términos más simples hemos diseñado una tecnología hasta el punto en donde se puede mirar dentro de una célula individual.Nottingham es actualmente el único lugar en el mundo con esta capacidad”, dijo el profesor Matt Clark, que contribuyó al estudio.

En microscopía óptica convencional, que utiliza la luz (fotones), el tamaño del objeto más pequeño que se puede ver (o la resolución) está limitado por la longitud de onda.

Para los especímenes biológicos, la longitud de onda no puede ser menor que la de la luz azul porque la energía transportada en los fotones de luz en el espectro ultravioleta (y longitudes de onda más cortas) es tan alta que puede destruir los enlaces que mantienen las moléculas biológicas unidas dañando las células.

La imagen óptica de super-resolución también tiene claras limitaciones en los estudios biológicos.

Esto se debe a que los colorantes fluorescentes que se utilizan son a menudo tóxicos y requieren grandes cantidades de luz y tiempo para observar y reconstruir una imagen lo que es perjudicial para las células.

A diferencia de la luz, el sonido no conlleva una carga de alta energía. Esto ha permitido a los investigadores de Nottingham utilizar longitudes de onda más pequeñas y ver cosas más pequeñas y llegar a resoluciones más altas sin dañar la biología celular.

“Una gran cosa es que, al igual que el ultrasonido en el cuerpo, el ultrasonido en las células no causa daño y no requiere productos químicos tóxicos para trabajar. Debido a esto podemos ver dentro de las células que un día podrían ser reimplantadas de nuevo en nuestro cuerpo, por ejemplo en un trasplantes de células madre “, añade el profesor Clark.

FUENTE: http://www.nature.com/articles/srep39326

 

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