Pesquisadores de Stanford combinaram duas técnicas de microscopia para criar um instrumento único capaz de mostrar estruturas celulares interagindo em tempo real com uma resolução sem precedentes de 120 nanômetros — a mais alta já alcançada sem o uso de marcadores fluorescentes. Essa nova tecnologia "sem marcadores", chamada Microscopia Interferométrica de Varredura de Imagem (iISM, na sigla em inglês), permitirá que os cientistas observem as estruturas celulares em seu contexto mais amplo, incluindo suas respostas a intrusões, como patógenos ou medicamentos.

O avanço é detalhado na revista Light: Science and Applications . "Este novo microscópio proporciona uma visão fantástica do interior da célula, onde é possível observar as minúsculas estruturas e mecanismos celulares se movendo, se transformando e interagindo sem a necessidade de adicionar fluorescência para observá-los", afirmou o autor sênior WE Moerner, professor de Química Harry S. Mosher na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford.

"É um olhar maravilhoso sobre essas pequenas e complexas caixas celulares que impulsionam nossa vida."

As capacidades do iISM podem possibilitar avanços em diversas áreas das ciências da vida, desde a compreensão dos mecanismos das doenças e o desenvolvimento de medicamentos até a investigação das relações entre plantas e micróbios.

Embora a resolução não seja tão precisa quanto a de outros tipos de microscópios especializados, o método sem marcadores do iISM apresenta muitas vantagens: permite que os pesquisadores visualizem várias estruturas simultaneamente por longos períodos de observação.

Em contraste, os métodos que dependem da fluorescência para marcar estruturas normalmente só conseguem destacar algumas estruturas-alvo de cada vez. A fluorescência pode eventualmente "desbotar" ou desaparecer. Esses marcadores também podem ser difíceis de introduzir e, em alguns casos, podem alterar o comportamento das estruturas que marcam.

O iISM também pode operar com uma potência de iluminação substancialmente menor do que abordagens comparáveis de alto contraste sem marcadores, reduzindo o risco de fotodanos em células vivas e tornando menos provável a perturbação das estruturas minúsculas e delicadas que estão sendo observadas.

Isso não significa que o novo microscópio substituirá o uso da microscopia de fluorescência, que tem fornecido informações valiosas nas ciências da vida há décadas, disse a primeira autora, Michelle Kueppers, pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Moerner.

O iISM consegue alcançar maior resolução e sensibilidade combinando as vantagens de dois métodos de microscopia diferentes — uma combinação que demonstra a experiência dos dois coautores.

Moerner, que ganhou o Prêmio Nobel de Química de 2014 por seu trabalho em microscopia de fluorescência de super-resolução, buscou especificamente trazer Kueppers para Stanford por causa de seu trabalho de doutorado focado em "microscopia de espalhamento interferométrico".

A dispersão é o que faz o céu parecer azul. Quando a luz atinge partículas pequenas — como quando a luz solar atravessa a atmosfera e encontra poeira, gotículas de água e outras moléculas — ela se desvia de sua trajetória e se dispersa em diferentes direções. As partículas na atmosfera da Terra dispersam as ondas curtas de luz azul com mais intensidade do que a luz vermelha, por isso o céu parece azul aos olhos humanos.

No microscópio de dispersão interferométrica , um laser incide sobre uma célula e as minúsculas estruturas em seu interior dispersam parte da luz. Um segundo feixe de laser é então usado para amplificar a luz dispersa, tornando-a forte o suficiente para ser detectada e, assim, as pequenas estruturas poderem ser visualizadas.

O principal avanço do iISM é a combinação do método de espalhamento interferométrico com um conceito adaptado de microscópios confocais de última geração.

Enquanto os microscópios confocais tradicionais usam um orifício e um único detector para focalizar as estruturas-alvo, as versões avançadas desses microscópios utilizam detectores matriciais baseados em câmeras, que podem capturar várias imagens da mesma área.

Para o iISM, os pesquisadores de Stanford usaram um tipo de detector de matriz que permite a coleta de mais luz do que o modelo de orifício e detector único.

Isso proporciona maior profundidade e precisão. Funciona de forma semelhante à maneira como dois olhos humanos captam informações para distinguir o primeiro plano do fundo — só que o iISM usa não apenas dois "olhos", mas dezenas a centenas de visualizações de um detector matricial. Os pesquisadores então desenvolveram um método para combinar essas medições em imagens mais nítidas e com maior contraste.

O resultado é um microscópio sem marcadores capaz de resolução de cerca de 120 nanômetros, utilizando menos energia do laser e mantendo a velocidade de aquisição de imagens — o que significa que os pesquisadores podem observar células vivas por mais tempo e com maior suavidade.

Moerner e Kueppers estão agora trabalhando para aprimorar ainda mais essa tecnologia e torná-la amplamente disponível para outros cientistas.

Eles já iniciaram três colaborações com outros pesquisadores de Stanford. Uma delas utiliza o novo microscópio para observar a interação entre células vegetais, fungos e bactérias em tempo real.

Outra colaboração utiliza o iISM para observar como um medicamento contra o câncer é absorvido por uma célula, e um terceiro projeto planejado investigará como os glóbulos vermelhos mudam de forma ao entrarem em contato com uma infecção por malária.

"Esta não é uma técnica de nicho", disse Kueppers. "Ela tem amplas aplicações e esperamos que a comunidade de ciências da vida se beneficie muito com ela, levando a muitas novas descobertas."