O novo microscópio de Stanford revela células vivas como nunca antes

Pesquisadores de Stanford criaram um novo sistema de imagem poderoso que revela o funcionamento interno das células vivas com notável clareza. Ao combinar duas técnicas avançadas de microscopia, o instrumento atinge uma resolução de aproximadamente 120 nanômetros, um nível de detalhe sem precedentes para uma abordagem que não requer rótulos fluorescentes.

Conhecida como Microscopia Interferométrica de Varredura de Imagem (iISM), a tecnologia permite observar múltiplas estruturas celulares simultaneamente enquanto elas se movem, mudam e respondem ao ambiente. Os cientistas também podem investigar o que acontece quando as células encontram medicamentos ou organismos causadores de doenças, potencialmente descobrindo processos biológicos que têm sido difíceis de estudar.

A descoberta, descrita na revista Nature Portfólio Luz: Ciência e Aplicaçõespoderia levar a avanços na pesquisa do câncer, no desenvolvimento de medicamentos, em estudos de doenças infecciosas e em investigações sobre como as plantas interagem com os microrganismos.

“Este novo microscópio fornece uma nova visão fantástica da célula, onde você pode ver as pequenas estruturas e máquinas da célula se movendo, mudando e interagindo sem ter que adicionar fluorescência para observá-las”, disse o autor sênior WE Moerner, professor de Química Harry S. Mosher na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford. “É uma visão maravilhosa dessas pequenas caixas celulares complexas que conduzem nossa vida.”

Vendo o interior de células vivas sem rótulos fluorescentes

Uma das vantagens mais importantes do novo microscópio é a sua capacidade de revelar a atividade celular sem depender de marcadores fluorescentes.

Muitas técnicas de microscopia existentes utilizam substâncias fluorescentes para destacar estruturas específicas dentro das células. Embora esses métodos tenham transformado a pesquisa biológica, eles apresentam limitações. Os pesquisadores geralmente conseguem rotular apenas um pequeno número de estruturas de uma só vez, tornando difícil observar como os diferentes componentes interagem em uma célula inteira.

Os sinais fluorescentes também podem desaparecer durante a observação através de um processo conhecido como fotobranqueamento. Além disso, a introdução dos rótulos pode ser um desafio, e alguns marcadores podem alterar o comportamento das próprias estruturas que os cientistas desejam estudar.

O sistema Stanford evita esses problemas criando imagens de células sem rótulos fluorescentes. Isto permite aos investigadores acompanhar numerosos componentes celulares durante longos períodos enquanto observam a sua atividade num ambiente mais natural.

Outra vantagem é que o iISM requer substancialmente menos potência de iluminação do que métodos comparáveis ​​sem rótulos que produzem imagens de alto contraste. A menor exposição à luz reduz a possibilidade de fotodano, que ocorre quando a luz usada para geração de imagens prejudica as células vivas ou interfere em suas funções normais.

Embora outros microscópios especializados possam alcançar uma resolução mais precisa, a combinação de imagens detalhadas, iluminação suave e observação prolongada torna o iISM particularmente valioso para o estudo de sistemas biológicos vivos.

Os pesquisadores enfatizam que sua tecnologia pretende complementar a microscopia de fluorescência, e não substituí-la.

A primeira autora, Michelle Kueppers, pós-doutoranda no laboratório de Moerner, explicou que combinar os pontos fortes de diferentes abordagens de imagem poderia ajudar os cientistas a responder a questões anteriormente inacessíveis.

“Cada método tem as suas vantagens e desvantagens, e acreditamos numa implementação complementar no futuro”, disse Kueppers. “Se usarmos os pontos fortes da fluorescência para especificidade molecular e a força do iISM para contexto e dinâmica livres de rótulos, poderemos realmente começar a abordar questões que antes eram difíceis de resolver.”

Como o novo microscópio alcança detalhes sem precedentes

A inovação vem da união de duas tecnologias de microscopia diferentes, cada uma com suas próprias vantagens.

Moerner recebeu o Prêmio Nobel de Química de 2014 por suas contribuições pioneiras à microscopia de fluorescência de super-resolução. Ele recrutou Kueppers especificamente para Stanford por causa de sua pesquisa de doutorado envolvendo uma técnica chamada “microscopia de dispersão interferométrica”.

Este método depende de uma propriedade familiar da luz: a dispersão.

A luz muda de direção quando encontra partículas minúsculas. O mesmo fenômeno básico explica por que o céu parece azul. À medida que a luz solar passa pela atmosfera da Terra, moléculas, poeira e gotículas de água espalham seus diferentes comprimentos de onda. Os comprimentos de onda azuis mais curtos espalham-se mais fortemente do que os comprimentos de onda vermelhos mais longos, produzindo a cor azul que vemos acima.

A microscopia de espalhamento interferométrico aproveita esse comportamento em uma escala muito menor.

Um laser ilumina uma célula, fazendo com que pequenas estruturas dentro dela espalhem parte da luz que entra. Como o sinal espalhado é extremamente fraco, um segundo feixe de laser é usado para amplificá-lo através de interferência, permitindo que o microscópio detecte estruturas que de outra forma seriam difíceis de observar.

A equipe de Stanford melhorou essa abordagem combinando-a com tecnologia adaptada de microscópios confocal avançados.

Os microscópios confocal tradicionais usam uma pequena abertura chamada pinhole e um único detector para isolar a luz de uma área selecionada. Versões mais avançadas substituem esse arranjo por conjuntos de detectores baseados em câmeras, capazes de coletar múltiplas visualizações da mesma região.

Os pesquisadores incorporaram um detector de matriz em seu novo microscópio, permitindo coletar mais luz do que um sistema convencional construído em torno de um orifício e um único detector.

Centenas de visualizações combinadas em uma imagem mais nítida

A vantagem de coletar múltiplas perspectivas é semelhante à forma como funciona a visão humana.

Nossos dois olhos observam o mundo a partir de posições ligeiramente diferentes, ajudando o cérebro a distinguir objetos próximos daqueles mais distantes. O microscópio de Stanford usa um princípio relacionado, mas em vez de depender apenas de duas perspectivas, seu conjunto de detectores reúne dezenas a centenas de visualizações.

Os pesquisadores desenvolveram um método computacional que combina essas medidas para gerar imagens com maior nitidez, contraste, informações de profundidade e precisão.

Ao fundir os pontos fortes da microscopia de dispersão interferométrica e conjuntos de detectores avançados, a equipe criou um instrumento capaz de resolver estruturas tão pequenas quanto aproximadamente 120 nanômetros.

Para fins de perspectiva, um nanômetro equivale a um bilionésimo de metro. Nessa escala, os pesquisadores podem examinar estruturas celulares extremamente pequenas e acompanhar seus movimentos e interações.

Crucialmente, o microscópio atinge essa resolução sem sacrificar a velocidade da imagem ou exigir intensa iluminação a laser. Os cientistas podem, portanto, observar células vivas por períodos mais longos, minimizando o risco de perturbá-las ou danificá-las.

Dos medicamentos contra o câncer à malária: novas possibilidades de pesquisa

Moerner e Kueppers continuam a refinar o instrumento, com o objetivo de eventualmente torná-lo acessível a cientistas de muitas áreas da biologia.

Três colaborações com outros grupos de pesquisa de Stanford já estão em andamento ou em desenvolvimento, demonstrando a gama de questões que a tecnologia poderia ajudar a investigar.

Um projeto usa o microscópio para observar as interações entre células vegetais, fungos e bactérias à medida que elas acontecem. Ao observar a interação destes organismos em tempo real, os investigadores esperam obter uma compreensão mais clara das complexas relações entre plantas e micróbios.

Outra colaboração se concentra no tratamento do câncer. Os cientistas estão a utilizar o iISM para investigar como um medicamento contra o cancro entra numa célula, fornecendo potencialmente informações valiosas sobre como os medicamentos interagem com os seus alvos.

Um terceiro projecto, ainda em fase de planeamento, examinará como os glóbulos vermelhos mudam de forma quando expostos à infecção por malária. A observação dessas mudanças físicas poderia oferecer novos insights sobre como a doença afeta as células sanguíneas.

Estas aplicações ilustram porque é que os investigadores acreditam que o seu microscópio pode tornar-se uma ferramenta útil em inúmeras disciplinas científicas, em vez de servir apenas uma área restrita de investigação.

“Esta não é uma técnica de nicho”, disse Kueppers. “Tem amplas aplicações e esperamos que a comunidade das ciências da vida seja bem servida por ele, levando a muitas novas descobertas.”