Técnica PRISM rompe limites de difração de luz para imagens de células vivas no espaço e no tempo

• Pesquisadores desenvolvem uma nova técnica (PRISM) que pode observar além da difração da luz. 
• Ele pode capturar visualizações excepcionais dentro de células vivas por meio de imagens espaciais e temporais de super-resolução. 

Nas últimas décadas, temos usado métodos de imagem por fluorescência de campo amplo, como PALM e STORM, para observar estruturas subcelulares. Esses métodos requerem centenas e milhares de imagens brutas em longas sequências. Assim, aumentar a resolução espacial diminui a resolução temporal.

Agora, pesquisadores da EPFL (instituição de pesquisa em Lausanne, Suíça) projetaram um sistema que pode capturar visualizações excepcionais dentro de células vivas por meio de imagens espaciais e temporais de super-resolução (tanto no espaço quanto no tempo).

A nova plataforma de microscopia, denominada PRISM (Phase Retrieval Instrument with Super-resolution Microscopy), pode observar além da difração da luz. Ele integra microscopia tridimensional e uma nova técnica para recuperação de fase tridimensional de luz branca.

Ele combina a resolução espacial da super-resolução de fluorescência e a especificidade molecular com a imagem de fase quantitativa sensível e de alta velocidade, permitindo imagens multimodais em 4 dimensões. 

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Os pesquisadores usaram a filtragem de Fourier para extrair a fase quantitativa 3D de uma série de imagens de luz branca. Em seguida, eles explicaram essa imagem de fase resolvida em profundidade de campo brilhante por meio da formação de imagem 3D parcialmente coerente.

Eles demonstraram seu conceito recuperando dados de fase 3D de alta resolução de células estáveis ​​a partir de uma grande pilha de intensidades deslocadas em z. Eles desenvolveram o PRISM para aquisição simultânea de 8 planos – ele pode realizar imagens de fase 3D de alta velocidade em 2,5*50*50 micrômetros de volume. Finalmente, eles visualizaram sequencialmente amostras de células com 3D com microscopia de fase e imagens de flutuação óptica de super-resolução (SOFI).

SOFI suporta imagens 3D de células vivas com quase um segundo por imagem reconstruída de resolução de tempo em um microscópio multiplano. Além disso, oferece uma avaliação quantitativa dos parâmetros moleculares e tolera altas densidades de marcação.

Referência: Natureza Fotônica | doi:10.1038/s41566-018-0109-4 | EPFL

Em linguagem simples, o PRISM é um complemento às atuais plataformas de microscopia de campo amplo, que permite a implementação simples e rápida de imagens de super-resolução de fluorescência 3D e fase quantitativa 3D. Resumindo, o novo sistema apresenta uma melhor oportunidade para observar a fisiologia temporal e espacial complexa das células vivas.

Detalhes Técnicos

Uma célula observada com a técnica PRISM | Crédito: T. Lasser/EPFL

Com base na equação de onda de Helmholtz, a técnica está inserida na estrutura do teorema de Wiener-Khintchine. O processo de decodificação dos dados de fase ao longo do eixo z é feito calculando a interferência de espalhamento fraco direto.

Eles construíram um algoritmo eficiente para recuperar os dados da fase 3D de uma pilha de intensidade volumétrica adquirida. A abertura numérica de alta detecção e a iluminação Koehler de luz branca fornecem imagens de fase quantitativa estável, de alta resolução e sem manchas de células vivas. Além disso, as simulações verificaram uma resolução axial de 350*560 nanômetros. 

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No geral, o procedimento permite atualizar um microscópio convencional de campo claro em um microscópio de fase 3D simples, rápido e confiável, que supostamente atende às expectativas de inúmeras investigações e aplicações em ciências da vida e biologia.