Microscopía STED: radiografía de células vivas en detalle

Si los investigadores quieren curar enfermedades, deben mirar con mucho cuidado. Porque dentro de las células, a nivel molecular, tienen lugar los procesos que marcan la diferencia entre la salud y la enfermedad. Hasta hace poco, los investigadores no podían estudiar estos procesos en células vivas porque los microscopios ópticos convencionales no proporcionaban la resolución necesaria. Sin embargo, esto cambió con la invención del microscopio STED.

Revolución en microscopía óptica

Con el microscopio STED, los científicos ahora pueden observar moléculas individuales en células vivas hasta diez veces más nítidamente: escanean las células nerviosas en detalle, examinan el virus del VIH e incluso examinan el cerebro de ratones vivos. Al hacerlo, hacen descubrimientos asombrosos.

Durante mucho tiempo se creyó que el viaje al mundo de las cosas pequeñas tiene sus límites. Porque la microscopía óptica requiere, como su nombre indica, luz. Y la difracción de ondas de luz solo permite una resolución máxima de alrededor de 200 nanómetros, 200 mil millonésimas de metro.

En otras palabras, el diámetro de un haz de luz no se puede hacer más delgado que 200 nanómetros. El punto más pequeño que se puede fotografiar es este tamaño.

Las estructuras celulares o moléculas más pequeñas aparecen borrosas. Con la microscopía electrónica, los detalles de menos de 200 nanómetros se pueden resolver durante mucho tiempo, pero esto destruye las estructuras celulares y no se puede utilizar en organismos vivos.

«Siempre he sospechado cuando todos piensan lo mismo», dice Stefan Hell. Es jefe de departamento del Centro Alemán de Investigación del Cáncer (DKFZ) y director del Instituto Max Planck de Química Biofísica en Göttingen.

El físico no quiso aceptar los límites de la microscopía óptica y tuvo la idea decisiva ya en la década de 1990 que revolucionó el estudio de las células vivas.

En 1994, él y su colega Jan Wichmann describieron el principio de la microscopía STED en teoría por primera vez. STED significa Agotamiento Estimulado de Emisiones, que se traduce como «extinción estimulada de emisiones».

Exactamente 20 años después, Hell recibió el Premio Nobel de Química por su logro junto con los investigadores estadounidenses Eric Betzig del Instituto Médico Howard Hughes y William Moerner de la Universidad de Stanford.

Tres imágenes una al lado de la otra.  Izquierda: un punto se ilumina en naranja sobre un fondo negro.  Medio: el punto es negro en el centro.  Derecha: solo se ilumina el centro del punto.

Principio de microscopía STED: haz de excitación, foco de apagado en forma de anillo (centro) y área fluorescente restante

El infierno esta engañando a la luz

Con su tecnología, Stefan Hell no puede cambiar las leyes físicas de las ondas de luz, pero usa un truco.

Con la ayuda de la fluorescencia, hace que la sección a examinar sea más pequeña de lo que podría ser el haz de luz más delgado. Para ello, los investigadores colorean las estructuras celulares que se van a hacer visibles con moléculas de colorante fluorescente.

Estos solo se iluminan cuando un rayo de luz de una determinada longitud de onda los golpea, es decir, un rayo láser:

Las moléculas de tinte no absorben la energía del rayo láser en forma de calor, como lo hace nuestra piel al tomar el sol, por ejemplo. Más bien, convierten la luz láser en una longitud de onda diferente y la vuelven a emitir, emiten fluorescencia.

Y ahora viene el truco del infierno: hace que el área fluorescente sea más pequeña que el área iluminada por un rayo láser. Para hacer esto, dos rayos láser se conectan entre sí.

El primer rayo láser hace que brille el tinte fluorescente de las células. El segundo haz, el llamado haz de desconexión, hace que la sección iluminada sea más pequeña. Esto se logra desconectando específicamente las moléculas de tinte en el área del borde del foco.

Al final, solo un pequeño punto se ilumina en el centro del área irradiada por los láseres. Luego, la muestra se escanea punto por punto para obtener una imagen completa.

De esta forma, ahora se pueden representar las estructuras de las células vivas de menos de 50 nanómetros. El microscopio STED permite una nitidez de detalle hasta diez veces mayor que la de los microscopios ópticos convencionales.

Los microscopios STED están en el mercado desde 2007 y han contribuido al rápido progreso de la investigación médica básica.

Imágenes en vivo del cerebro del ratón

«El método está lejos de agotarse. En términos puramente teóricos, no hay límite para la molécula», dice Stefan Hell. «Nuestro objetivo es profundizar aún más en los nanocosmos de las células con nuestros microscopios y hacer visibles importantes procesos de la vida».

Hell ya puso en práctica sus palabras: en 2012, el investigador de Gotinga y sus colegas del Instituto Max Planck de Química Biofísica examinaron directamente el cerebro de ratones vivos con el microscopio STED. Escanearon las células nerviosas de la capa superior del cerebro del roedor con niveles de detalle sin precedentes.

Esto reveló algo sorprendente: los puntos de contacto elementales del circuito cerebral, las apófisis espinosas de las células nerviosas, aparentemente pueden moverse y cambiar de forma.

«En el futuro, las grabaciones en vivo súper nítidas podrían incluso mostrar cómo se distribuyen ciertas proteínas en las sinapsis», dice Hell. Con imágenes cada vez más detalladas, los investigadores esperan comprender mejor enfermedades como el autismo y la epilepsia. Porque estos se basan en un mal funcionamiento de las sinapsis.

Hebras de células nerviosas de color naranja brillante con ramas finas

La imagen STED muestra ramas finas de células nerviosas en el cerebro del ratón.

Información detallada sobre el oído

El microscopio STED de Göttingen no solo lo utilizan Hell y su grupo de investigación. Tobias Moser, de la Clínica de Medicina del Oído, Nariz y Garganta de la Universidad de Gotinga, examina la comunicación entre el cerebro y el oído con el dispositivo de alta tecnología.

«Lo que parece natural para las personas con audición normal es un proceso biológico complejo», dice Moser.

La conversión del sonido de una vibración mecánica en un impulso eléctrico que puede ser interpretado por el cerebro no se ha explicado durante mucho tiempo. El grupo de trabajo en torno al fisiólogo molecular pudo descubrir un proceso muy inusual para las células nerviosas.

«Ya sabíamos que mover los pelos de la oreja cambia la tensión a través de la membrana celular de las células ciliadas. Cuanto más fuerte es la señal de sonido entrante, más aumenta», dice Moser.

Sin embargo, los investigadores se sorprendieron al descubrir que diferentes cantidades de calcio fluían hacia las sinapsis. Y esto sucedió a pesar de que todos los canales de calcio están controlados por el mismo voltaje.

Aparentemente, cada una de las sinapsis de una sola célula tiene un número diferente de canales de calcio. «Estas diferencias podrían explicar por qué las señales débiles ya se transmiten a través de algunas sinapsis, mientras que otras solo se activan cuando las señales son fuertes», dice Moser.

Los investigadores creen que es precisamente esta división del trabajo entre las sinapsis lo que permite que una célula pilosa active una fibra nerviosa diferente según la intensidad de la señal. «Esto permite a la persona que oye percibir ruidos en un rango de volumen muy amplio», explica Moser.

Dibujo de un oído humano en sección transversal

Los investigadores utilizan el microscopio para estudiar la comunicación cerebro-oído

Tras la pista del virus HI

Además de los procesos en las células vivas, la microscopía STED también puede hacer que los procesos en los virus sean visibles en detalles previamente inimaginables. Los investigadores de virología de Heidelberg, junto con los grupos de trabajo de Stefan Hell, ya han examinado el patógeno del sida.

Querían saber más sobre la maduración del virus. Porque solo un virus HI maduro se activa y ataca a las células humanas. Sus investigaciones volvieron a producir resultados sorprendentes.

A medida que madura la estructura interna del virus, la distribución de las proteínas de la superficie aparentemente también cambia: se juntan deliberadamente en un punto, lo que presumiblemente permite que los virus penetren mejor en nuestras células.

Las moléculas dentro del virus aparentemente indican al exterior que el patógeno está listo para moverse dentro de la célula.

Con su investigación básica, los virólogos esperan allanar el camino para nuevas terapias contra el SIDA. El potencial de la microscopía STED para la medicina no se detiene ahí:

Ya sea la enfermedad de Alzheimer, los tumores cancerosos, las células ciliadas o la brújula magnética de las aves, los investigadores de todo el mundo tienen grandes esperanzas en la nueva tecnología.

  Cerca de un virus del VIH

La microscopía STED brinda nuevos conocimientos sobre la maduración de los virus HI