Fast Ptychographic Near-Field Computed Tomography

Imagina intentar tomar una fotografía 3D perfecta de una criatura diminuta y viva sin aplastarla ni desenfocar la imagen. Los científicos han querido hacer esto durante mucho tiempo para entender cómo funciona la biología desde adentro hacia afuera, pero hay un inconveniente: la luz suele atravesar las cosas blandas, como células o tejidos, sin dejar rastro. Para solucionar esto, los investigadores utilizan rayos X, que pueden ver a través de materia blanda, pero necesitan un truco especial llamado "contraste de fase" para convertir los cambios invisibles en el haz de rayos X en una imagen visible. Piensa en ello como observar a un nadador moviéndose a través del agua; no puedes ver al nadador, pero puedes ver las ondas que deja a su paso. Al mapear esas ondas, puedes determinar exactamente dónde está el nadador y cómo es.

Sin embargo, obtener una imagen 3D clara de estos objetos diminutos y delicados es increíblemente lento y difícil. Es como intentar tomar una foto de un colibrí en pleno vuelo, pero tienes que detener al pájaro, tomar una foto, moverlo un poco, detenerlo de nuevo, tomar otra foto, y repetir esto miles de veces. El pájaro se cansa, la cámara puede vibrar y todo el proceso tarda una eternidad. Este es el estado actual de la "pticografía de campo cercano", un método de imagen de alta tecnología que ofrece un detalle asombroso pero que a menudo es demasiado lento para un uso práctico, especialmente para muestras biológicas frágiles que podrían secarse o dañarse por los rayos X si el escaneo tarda demasiado.

Este artículo presenta una forma de acelerar el proceso y facilitar mucho la preparación de las muestras. Los investigadores construyeron un nuevo sistema de "rotación continua" (fly-rotation) que permite que la muestra gire continuamente mientras la cámara toma las fotos, en lugar de detenerse y arrancar como un disco rayado. También inventaron un pequeño torno mecánico que puede tallar muestras biológicas en pilares microscópicos perfectos mucho más rápido que los métodos anteriores. Al combinar estas dos innovaciones, lograron reducir el tiempo necesario para un escaneo 3D completo por un margen enorme, haciendo posible ver el intrincado funcionamiento interno de cosas como colmillos de elefante e insectos diminutos con una precisión de escala nanométrica, todo sin necesidad de una cámara de vacío o de congelar la muestra.

El Problema: La Cámara de Cámara Lenta

Imagina que estás intentando construir un modelo 3D de un objeto diminuto y frágil, como un grano de arena o un trozo de una hoja. Para hacer esto con rayos X, tienes que rotar el objeto y tomar miles de fotos desde todos los ángulos. En la forma antigua de hacer esto (llamada "rotación por pasos"), la máquina rotaría el objeto hasta un ángulo específico, se detendría por completo para esperar a que se asentara para que no vibrara, tomaría un montón de fotos, se detendría de nuevo, rotaría un poquito, y repetiría.

Este método de "parar y arrancar" es como intentar tomar una foto de un coche de carreras conduciendo a su lado, deteniéndose cada pocos metros para tomar una foto, esperando a que el coche se detenga y luego comenzando de nuevo. Esto desperdicia una cantidad masiva de tiempo simplemente esperando a que los motores se muevan y se asienten. Para la pticografía de campo cercano, este tiempo de espera es el mayor cuello de botella. El objeto tiene que ser escaneado en muchas posiciones en cada uno de los ángulos, lo que significa que los motores están constantemente arrancando y parando. Esto no solo hace que el escaneo tarde horas, sino que también aumenta el riesgo de que la muestra se mueva o se dañe por los rayos X durante esa larga espera.

La Solución: El Truco de la "Rotación Continua"

Los investigadores se hicieron una pregunta sencilla: "¿Y si no nos detuviéramos?". Introdujeron un método llamado "rotación continua" (fly-rotation). En lugar de detener la muestra en cada ángulo, dejaron que girara continuamente, como un tocadiscos, mientras la cámara toma las fotos.

Piensa en ello como tomar un video de un trompo girando en lugar de tomar una serie de fotos fijas. En el método antiguo, detendrías el trompo, tomarías una foto, lo harías girar un poquito, lo detendrías de nuevo y tomarías otra foto. En el nuevo método de "rotación continua", el trompo simplemente sigue girando y la cámara captura la imagen mientras se mueve. Debido a que la muestra nunca tiene que detenerse y arrancar, la máquina no pierde tiempo esperando a que las vibraciones desaparezcan.

El equipo probó esto en un pilar de marfil de elefante (¡sí, de un colmillo!). Compararon el viejo escaneo de "parar y arrancar" con el nuevo escaneo de "rotación continua". Los resultados fueron impresionantes:

• Forma antigua: El escaneo tomó 6 horas y 4 minutos.
• Nueva forma: El escaneo tomó 3 horas y 41 minutos.

Aún mejor, cuando ajustaron la configuración para que fuera incluso más rápida (tomando menos fotos y exponiendo la muestra durante menos tiempo), lograron completar un escaneo completo en solo 72 minutos. El tiempo "desperdiciado" dedicado simplemente a mover los motores (la sobrecarga) cayó de más de 3 horas a solo 18 minutos. ¡Eso es una reducción de 11 veces en el tiempo perdido! Las imágenes que obtuvieron fueron tan claras como las lentas, mostrando diminutos tubos dentro del marfil con una resolución de aproximadamente 271 nanómetros (que es aproximadamente el ancho de un virus).

El Otro Problema: Cortar el Pastel

Antes de poder tomar estas fotos, tienes que preparar la muestra. Las muestras biológicas suelen ser demasiado grandes y blandas para caber en un haz de rayos X. Necesitan ser talladas en pilares diminutos, generalmente de menos de 50 micrómetros de ancho (eso es más delgado que un cabello humano).

Tradicionalmente, los científicos utilizaban una máquina llamada Haz de Iones Focalizado (FIB) para cortar estas muestras. Es como usar un láser superpreciso para tallar una estatua de un bloque de hielo. Pero para cosas blandas y húmedas como plantas o animales, este láser es demasiado lento y puede quemar o secar la muestra. Puede tomar hasta 48 horas tallar un solo pilar diminuto, y es muy fácil romper la muestra en el proceso.

Para solucionar esto, el equipo construyó una "máquina de fresado de muestras" mecánica. Imagina un torno de madera diminuto y de alta velocidad, pero en lugar de madera, está tallando un trozo de pez cebra o una hoja de musgo. La máquina sostiene la muestra en un eje giratorio y la corta con una herramienta pequeña y afilada en otro. Debido a que es un corte mecánico en lugar de un láser, es mucho más rápido y suave con los materiales blandos.

La máquina probó en todo tipo de cosas:

• Un trozo de salchicha (secado para que sea firme).
• Una sección de pez cebra (embebida en cera).
• Una muestra de musgo (embebida en plástico).
• Un palillo de madera.
• Marfil de elefante.

La máquina talló con éxito pilares de todos estos materiales, con diámetros tan pequeños como 20 micrómetros para acero y 35 micrómetros para madera. Es rápida, fiable y no requiere que la muestra sea congelada o puesta en una cámara de vacío. Esto significa que los científicos pueden preparar muestras en minutos en lugar de días, abriendo la puerta para estudiar muchos más especímenes biológicos.

El Panorama General

Al combinar el truco de escaneo de "rotación continua" con la nueva máquina de corte mecánico, los investigadores han creado un sistema que es más rápido, más fácil de usar y más flexible que cualquier cosa disponible actualmente. No solo hicieron el escaneo más rápido; hicieron que todo el proceso de obtener una imagen 3D de una pequeña muestra biológica fuera mucho más accesible.

El equipo también señaló que su configuración es muy flexible. Pueden ajustar la distancia entre la muestra y el detector para cambiar la magnificación, lo que les permite observar diferentes tamaños de objetos. Incluso utilizaron una placa de diamante especial con pequeñas protuberancias talladas por láser para ayudar a que los rayos X creen mejores imágenes. Esta placa de diamante es más estable que el papel de lija que usaban antes, el cual se desplazaría y arruinaría la imagen durante los largos escaneos.

Al final, este trabajo sugiere que ahora podemos realizar imágenes de rayos X 3D de alta calidad de sistemas biológicos complejos en una fracción del tiempo que solía tomar. Aunque el artículo no afirma que sea una cura mágica para todos los problemas de imagen, demuestra que, simplemente cambiando la forma en que movemos la muestra y cómo la preparamos, podemos romper las barreras de velocidad que han frenado esta tecnología durante tanto tiempo. El resultado es una herramienta que puede ayudar a los científicos a ver el mundo oculto en 3D de la biología con una claridad y velocidad sin precedentes.