I ricercatori hanno utilizzato approcci di imaging avanzati per ottenere la microscopia a super risoluzione a velocità senza precedenti. Il nuovo metodo dovrebbe consentire di catturare i dettagli dei processi che si verificano nelle cellule viventi a velocità prima non possibili.

Tecniche di super risoluzione, spesso chiamata nanoscopia, raggiungere una risoluzione su scala nanometrica superando il limite di diffrazione della luce. Sebbene la nanoscopia possa catturare immagini di singole molecole all'interno delle cellule, è difficile da usare con le cellule viventi perché sono necessarie centinaia o migliaia di frame di imaging per ricostruire un'immagine, un processo troppo lento per catturare dinamiche che cambiano rapidamente.

In ottica , La rivista della Optical Society (OSA) per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori dell'Accademia cinese delle scienze descrivono come hanno utilizzato l'approccio di imaging non convenzionale noto come imaging fantasma per migliorare la velocità di imaging della nanoscopia. La combinazione produce una risoluzione nanometrica utilizzando ordini di grandezza in meno di frame di imaging rispetto alle tradizionali tecniche di nanoscopia.

"Il nostro metodo di imaging può potenzialmente sondare le dinamiche che si verificano su scale temporali di millisecondi nelle strutture subcellulari con una risoluzione spaziale di decine di nanometri, la risoluzione spaziale e temporale alla quale avvengono i processi biologici, " disse Zhongyang Wang, co-responsabile del gruppo di ricerca.

Combinazione di tecniche per un imaging più veloce

Il nuovo approccio si basa sulla microscopia a ricostruzione ottica stocastica (STORM), che è stata una delle tre tecniche di super-risoluzione ad essere stata premiata con i premi Nobel nel 2014. STORM, che a volte viene anche chiamata microscopia di localizzazione fotoattivata (PALM), è una tecnica ad ampio campo che utilizza etichette fluorescenti che commutano tra gli stati di emissione di luce (acceso) e scuro (spento). Acquisire centinaia o migliaia di istantanee, ciascuno cattura il sottoinsieme di etichette fluorescenti che sono accese in un dato momento, consente di determinare la posizione di ciascuna molecola e utilizzarla per ricostruire un'immagine di fluorescenza.

I ricercatori si sono rivolti all'imaging fantasma per accelerare il processo di imaging di STORM. L'imaging fantasma forma un'immagine correlando un pattern di luce che interagisce con l'oggetto con un pattern di riferimento che non lo fa. Individualmente, i modelli di luce non portano alcuna informazione significativa sull'oggetto. I ricercatori hanno anche utilizzato l'imaging compressivo, un approccio computazionale che consente la ricostruzione dell'immagine con meno esposizioni perché utilizza un algoritmo per inserire le informazioni mancanti.

"Mentre STORM richiede una bassa densità di etichette fluorescenti e molte cornici di immagini, il nostro approccio può creare un'immagine ad alta risoluzione utilizzando pochissimi fotogrammi e un'alta densità di fluorofori, ", ha affermato il co-leader del gruppo di ricerca Shensheng Han. "Inoltre non necessita di alcuna illuminazione complessa, che aiuta a ridurre il fotosbiancamento e la fototossicità che potrebbero danneggiare i processi biologici dinamici e le cellule viventi".

Miglioramento dell'efficienza delle immagini

Per implementare la nuova tecnica, i ricercatori hanno utilizzato un componente ottico noto come modulatore di fase casuale per trasformare la fluorescenza dal campione in un motivo a macchie casuali. La codifica della fluorescenza in questo modo ha permesso a ciascun pixel di una fotocamera CMOS molto veloce di raccogliere l'intensità della luce dall'intero oggetto in un singolo fotogramma. Per formare l'immagine tramite l'imaging fantasma e l'imaging compressivo, questa intensità luminosa è stata correlata con un modello di luce di riferimento in un unico passaggio. Il risultato è stato un'acquisizione dell'immagine più efficiente e una riduzione del numero di fotogrammi necessari per formare un'immagine ad alta risoluzione.

I ricercatori hanno testato la tecnica utilizzandola per l'immagine di un anello di 60 nanometri. Il nuovo approccio nanoscopia potrebbe risolvere l'anello utilizzando solo 10 frame di immagine, mentre i tradizionali approcci STORM avevano bisogno di fino a 4000 frame per ottenere lo stesso risultato. Il nuovo approccio ha anche risolto un righello da 40 nanometri con 100 fotogrammi di immagine.

"Speriamo che questo metodo possa essere applicato a una varietà di campioni fluorescenti, compresi quelli che mostrano una fluorescenza più debole di quelli utilizzati in questa ricerca, " ha affermato Wang. I ricercatori vogliono anche rendere la tecnica più veloce per ottenere immagini a velocità video con un ampio campo visivo e prevedono di utilizzarla per acquisire immagini 3D e a colori.