Científicos desarrollan un microscopio en miniatura

Vivimos en un mundo en el que todos los dispositivos electrónicos se hacen cada vez más pequeños, desde los celulares y las consolas de videojuegos que usamos cada día hasta los sofisticados equipos de laboratorio. Sin embargo, a pesar de toda esta revolución tecnológica, los microscopios de fluorescencia siguen siendo grandes, complejos y costosos. Un grupo de científicos de la Universidad de Stanford han desarrollado un microscopio de fluorescencia de tan sólo 2.4cm³ de volumen  y 1,9g de peso. El trabajo apareció publicado hoy en Nature Methods.

El avance de la tecnología ha permitido desarrollar dispositivos cada vez más pequeños, eficientes y baratos, gracias a los nuevos materiales semiconductores, los circuitos impresos, los diodos emisores de luz (LED) y los cables de fibra óptica. Este avance ha creado un gran impacto en las telecomunicaciones, la computación y la genómica. Sin embargo, los microscopios de fluorescencia aún siguen siendo grandes, pesados y costosos.

Los microscopios de fluorescencia son ampliamente usados en muchos campos de la biología, especialmente en las neurociencias, gracias a que permiten ver las estructuras celulares a través del uso de biomoléculas fluorescentes. Pero su potencial es muy limitado ya que se requiere que el animal esté inmovilizado para poder obtener buenas imágenes de la función cerebral, algo que es un problema si lo que se quiere es estudiar su comportamiento.

Con el paso de los años se desarrollaron microscopios de alta resolución basados en cables de fibra óptica y LEDs. Estos microscopios tenían la ventaja de ser pequeños y podían ser implantados en los animales vivos sin la necesidad de inmovilizarlos. La desventaja es que no son muy flexibles, tienen poca sensibilidad óptica y su campo de visión es muy limitado.

Ahora, un grupo de investigadores de la Universidad de Stanford liderados por el ingeniero electrónico Kunal Ghosh, han desarrollado un pequeño microscopio de tan sólo 2.4cm³ y 1.9gr de peso, el cual cabe con facilidad en la yema de un dedo. Este pequeño dispositivo usa un LED para producir luz azul, la cual pasa por un filtro de excitación que selecciona la longitud de onda precisa a la cual las moléculas emiten la fluorescencia. La lente del objetivo enfoca la luz en la muestra y recibe la fluorescencia emitida por esta, que luego pasa por otro filtro, uno de emisión, que diferencia la luz de la fluorescencia de la luz del LED. Finalmente, la imagen es captada en un sensor CMOS montado sobre un circuito impreso de menos de 1cm², el cual transfiere la información a una computadora.

Este mini-microscopio tiene un campo de visión de 600um x 800um y una resolución de 2.5um y, gracias a los avances en la optoelectrónica, las partes usadas para la fabricación de este dispositivo cuestan entre $1 y $10, comparado con los $25,000 a $50,000 de los microscopios de alta resolución de fibra óptica.

Para demostrar las potencialidades de este mini-microscopio, Ghosh et al. hicieron dos pruebas en ratones vivos. Primero estudiaron la circulación sanguínea cerebral tanto en estado de reposo como en actividad y luego analizaron la dinámica del Calcio en las neuronas de Purkinje ubicadas en el cerebelo.

Para la primera prueba, los investigadores marcaron glóbulos rojos de los ratones con moléculas fluorescentes, luego implantaron el dispositivo en la cabeza del animal y empezaron a capturar las imágenes de los capilares cerebrales mientras el ratón estaba en reposo, caminando y corriendo en su rueda giratoria. Cada 2 segundos se capturaba una imagen. Los resultados [ver el video] muestran que la circulación se incrementa claramente cuando el ratón está más activo.

Para la segunda prueba, los investigadores usaron una molécula que emite fluorescencia ante la presencia del Ca²⁺. Por si no lo saben, las neuronas transmiten la información desde el cerebro hacia el resto del cuerpo a través del impulsos eléctricos los cuales son generados mediante la polarización de las membranas de los axones a través del flujo de iones de calcio y sodio. A este proceso se le conoce como potencial de acción. Ghosh y sus colaboradores se enfocaron en las neuronas de Purkinje del cerebelo que es la región del cerebro encargada de las funciones motoras (movimiento). Los investigadores observaron que la dinámica del calcio se daba de manera sincronizada en las neuronas de una determinada microzona. Las microzonas son divisiones del cerebelo encargadas del movimiento de determinadas partes del cuerpo del animal.

Las potenciales aplicaciones de este dispositivo son muchas. Pueden usarse para identificar fenotipos mutantes in vivo, para el conteo de células, para diagnóstico de enfermedades como la TBC, etc.

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Referencia:

Ghosh, K., Burns, L., Cocker, E., Nimmerjahn, A., Ziv, Y., Gamal, A., & Schnitzer, M. (2011). Miniaturized integration of a fluorescence microscope Nature Methods DOI: 10.1038/nmeth.1694

Esta entrada participa en el 2do Carnaval de la Tecnología celebrado en Resistencia Numantina.