An off-the-shelf light-sheet microscopy ecosystem enables versatile cleared-tissue imaging across scales and applications

Imagina intentar comprender una ciudad mirando un solo ladrillo, o estudiando un mapa que solo muestra las calles pero no los edificios. Durante décadas, los biólogos enfrentaron un problema similar al intentar ver el interior de los seres vivos. Para estudiar el intrincado cableado de un cerebro o los vasos sanguíneos de un órgano entero, normalmente tenían que cortar el tejido en piezas finas y planas, como una hogaza de pan, y examinar cada rebanada bajo un microscopio. Este método destruye las conexiones tridimensionales que mantienen unido al órgano. Un enfoque más reciente, llamado aclaramiento de tejidos (tissue clearing), resuelve esto haciendo que los órganos enteros sean transparentes, como el vidrio, para que la luz pueda atravesarlos. Sin embargo, para ver los detalles dentro de estos órganos claros y enteros, los científicos necesitan un tipo especial de microscopio que utiliza una fina lámina de luz para escanear el objeto capa por capa. Estas máquinas son potentes, pero tradicionalmente han sido costosas, complicadas de construir y limitadas a realizar un solo trabajo específico de manera eficiente.

Un equipo de investigadores ha introducido ahora una nueva forma de construir estos microscopios que cambia el panorama de la imagen biológica. En lugar de obligar a los laboratorios a elegir entre diferentes máquinas costosas para distintas tareas, han creado un ecosistema flexible de herramientas que pueden ensamblarse a partir de piezas comunes disponibles en el mercado. Este sistema, que llaman descSPIM-Advanced, permite que un solo laboratorio construya un microscopio adaptado a sus necesidades específicas, ya sea para ver detalles diminutos, capturar órganos masivos de un solo golpe o detectar muchos colores diferentes a la vez. Los investigadores demostraron que, al intercambiar algunos componentes clave, el mismo diseño básico puede transformarse en cuatro versiones distintas, cada una optimizada para un desafío diferente al observar el mundo invisible dentro de nuestros cuerpos.

La idea central detrás de este trabajo es que la imagen de alta gama no tiene por qué estar encerrada tras las puertas de costosas instalaciones comerciales. Los investigadores partieron de un diseño de microscopio básico y asequible que habían desarrollado previamente y demostraron cómo podía actualizarse sin tener que empezar desde cero. Construyeron cuatro versiones específicas para probar el concepto. La primera, llamada Galaxy, está diseñada para ver muchos colores diferentes al mismo al mismo tiempo. En un microscopio estándar, si intentas observar demasiados marcadores brillantes a la vez, sus colores se mezclan. La versión Galaxy utiliza una cámara especial que puede separar estos colores superpuestos, lo que permite a los científicos rastrear hasta siete estructuras biológicas diferentes en un solo embrión de ratón sin tener que teñir y escanear la muestra varias veces. Esta capacidad abre la puerta a mapear interacciones complejas entre diferentes tipos de células en un solo volumen intacto.

La segunda versión, llamada Deepsky, se centra en la nitidez. Mientras que el microscopio básico es bueno para ver estructuras grandes, no puede resolver los detalles minúsculos de las células individuales. La configuración Deepsky intercambia lentes de mayor calidad y un espejo de escaneo para agudizar la imagen. Los investigadores utilizaron esta configuración para crear mapas tridimensionales de alta definición de tejidos de riñón y pulmón. Las imágenes eran tan claras que podían contar células individuales e incluso generar imágenes de falso color que se parecen a las láminas de tejido teñido tradicionales, pero sin necesidad de realizar cortes físicos. Esto demuestra que un laboratorio puede lograr una resolución subcelular, viendo la arquitectura fina de los órganos, sin necesidad de un instrumento comercial de millones de dólares.

Para los científicos que necesitan ver las estructuras más grandes, existe Fullmoon. Algunos órganos, como un cerebro de ratón completo, son simplemente demasiado grandes para ser capturados por microscopios estándar en una sola vista, lo que obliga a los investigadores a tomar cientos de imágenes pequeñas y unirlas, un proceso que puede introducir errores. La versión Fullmoon utiliza una cámara de gran formato y un haz de luz ancho para capturar un campo de visión masivo. El equipo demostró esto mediante la imagen de un cerebro de ratón completo que había sido expandido a diez veces su tamaño original. Capturaron el órgano expandido completo en una sola toma, evitando la necesidad de un ensamblaje complejo y preservando la integridad de los datos. Esto permite una visión completa e ininterrumpida de todo un sistema orgánico.

Finalmente, el equipo abordó la barrera del costo y la complejidad con una versión llamada SLIM. Redujeron el sistema a su forma más simple, utilizando diodos láser compactos y un número mínimo de piezas. Esta configuración puede ensamblarse en solo unas pocas horas por aproximadamente quince mil dólares, una fracción del costo de otros sistemas. A pesar de su simplicidad, sigue produciendo imágenes tridimensionales de alta calidad de embriones completos. Esta versión sirve como un punto de entrada accesible, permitiendo que más laboratorios comiencen a realizar imágenes de tejido aclarado y actualicen sus sistemas más adelante a medida que sus necesidades crezcan.

Todas estas versiones diferentes están unidas por una plataforma de software compartida llamada Mission Control Center. Este software actúa como un control remoto universal, permitiendo que el mismo programa de computadora opere cualquiera de las cuatro configuraciones de microscopio. Esto significa que un laboratorio puede comenzar con la versión simple SLIM y, a medida que sus preguntas de investigación se vuelvan más complejas, reconfigurar su hardware para convertirse en un sistema Galaxy, Deepsky o Fullmoon sin necesidad de aprender un software completamente nuevo o comprar una máquina nueva. Los investigadores han puesto a disposición del público los planos, las listas de piezas y el software, invitando a otros científicos a construir y mejorar sus diseños.

Los resultados de este trabajo muestran que la imagen tridimensional avanzada ya no es el dominio exclusivo de las instalaciones centrales bien financiadas. Al demostrar que un ecosistema modular y de piezas comunes puede ofrecer un alto rendimiento en una amplia gama de aplicaciones, los investigadores han democratizado el acceso a estas poderosas herramientas. Han demostrado que, con el diseño adecuado, un laboratorio puede construir un microscopio que no es solo una herramienta de un solo propósito, sino una plataforma versátil capaz de crecer con la ciencia. Este cambio significa que más investigadores pueden ahora explorar la complejidad tridimensional completa de la vida, desde la célula más pequeña hasta el órgano entero, utilizando instrumentos que pueden construir y controlar ellos mismos.