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

Imagine tentar entender uma cidade olhando para um único tijolo, ou estudando um mapa que mostra apenas as ruas, mas não os edifícios. Durante décadas, os biólogos enfrentaram um problema semelhante ao tentar ver o interior dos seres vivos. Para estudar a intrincada fiação de um cérebro ou os vasos sanguíneos de um órgão inteiro, eles geralmente tinham que fatiar o tecido em pedaços finos e planos, como uma torrada, e examinar cada fatia sob um microscópio. Esse método destrói as conexões tridimensionais que mantêm o órgão unido. Uma abordagem mais recente, chamada de clareamento de tecido, resolve isso tornando órgãos inteiros transparentes, como vidro, para que a luz possa passar por eles. No entanto, para ver os detalhes dentro desses órgãos claros e inteiros, os cientistas precisam de um tipo especial de microscópio que usa uma fina folha de luz para escanear o objeto camada por camada. Essas máquinas são poderosas, mas tradicionalmente têm sido caras, complicadas de construir e limitadas a realizar apenas um trabalho específico com excelência.

Uma equipe de pesquisadores introduziu agora uma nova maneira de construir esses microscópios que muda o cenário da imagem biológica. Em vez de forçar os laboratórios a escolherem entre diferentes máquinas caras para diferentes tarefas, eles criaram um ecossistema flexível de ferramentas que podem ser montadas a partir de peças comuns disponíveis no mercado. Este sistema, que chamam de descSPIM-Advanced, permite que um único laboratório construa um microscópio adaptado às suas necessidades específicas, seja para ver detalhes minúsculos, capturar órgãos massivos de uma só vez ou detectar muitas cores diferentes ao mesmo tempo. Os pesquisadores demonstraram que, ao substituir alguns componentes fundamentais, o mesmo design básico pode ser transformado em quatro versões distintas, cada uma otimizada para um desafio diferente de enxergar o mundo invisível dentro de nossos corpos.

A ideia central por trás deste trabalho é que a imagem de alta qualidade não precisa estar trancada pelas portas de instalações comerciais caras. Os pesquisadores partiram de um design de microscópio básico e acessível que haviam desenvolvido anteriormente e mostraram como ele poderia ser atualizado sem começar do zero. Eles construíram quatro versões específicas para provar o conceito. A primeira, chamada Galaxy, é projetada para ver muitas cores diferentes ao mesmo tempo. Em um microscópio padrão, se você tentar observar muitos marcadores brilhantes simultaneamente, suas cores se misturam. A versão Galaxy utiliza uma câmera especial que pode separar essas cores sobrepostas, permitindo que os cientistas rastreiem até sete estruturas biológicas diferentes em um único embrião de camundongo sem ter que corar e escanear a amostra várias vezes. Essa capacidade abre as portas para o mapeamento de interações complexas entre diferentes tipos de células em um único volume intacto.

A segunda versão, chamada Deepsky, foca na nitidez. Embora o microscópio básico seja bom para ver grandes estruturas, ele não consegue resolver os detalhes minúsculos de células individuais. A configuração Deepsky substitui componentes por lentes de maior qualidade e um espelho de varredura para refinar a imagem. Os pesquisadores usaram essa configuração para criar mapas tridimensionais de alta definição de tecidos de rins e pulmões. As imagens eram tão claras que podiam contar células individuais e até gerar imagens de cores falsas que se parecem com lâminas de tecido coradas tradicionais, mas sem a necessidade de corte físico. Isso prova que um laboratório pode alcançar resolução subcelular, vendo a arquitetura fina dos órgãos, sem precisar de um instrumento comercial de milhões de dólares.

Para cientistas que precisam ver as maiores estruturas, existe o Fullmoon. Alguns órgãos, como um céreão de camundongo inteiro, são simplesmente grandes demais para serem capturados por microscópios padrão em uma única visualização, forçando os pesquisadores a tirar centenas de fotos pequenas e costurá-las, um processo que pode introduzir erros. A versão Fullmoon utiliza uma câmera de grande formato e um feixe de luz largo para capturar um campo de visão massivo. A equipe demonstrou isso ao imagear um cérebro de camundongo inteiro que havia sido expandido dez vezes o seu tamanho original. Eles capturaram todo o órgão expandido em um único disparo, evitando a necessidade de costura complexa e preservando a integridade dos dados. Isso permite uma visão completa e ininterrupta de um sistema orgânico inteiro.

Finalmente, a equipe abordou a barreira do custo e da complexidade com uma versão chamada SLIM. Eles reduziram o sistema à sua forma mais simples, utilizando diodos laser compactos e um número mínimo de peças. Esta configuração pode ser montada em apenas algumas horas por aproximadamente quinze mil dólares, uma fração do custo de outros sistemas. Apesar de sua simplicidade, ainda produz imagens tridimensionais de alta qualidade de embriões inteiros. Esta versão serve como um ponto de entrada acessível, permitindo que mais laboratórios comecem a fazer o imageamento de tecido clareado e atualizem seus sistemas conforme suas necessidades cresçam.

Todas essas diferentes versões são mantidas juntas por uma plataforma de software compartilhada chamada Mission Control Center. Este software atua como um controle remoto universal, permitindo que o mesmo programa de computador opere qualquer uma das quatro configurações de microscópio. Isso significa que um laboratório pode começar com a versão simples SLIM e, conforme suas questões de pesquisa se tornem mais complexas, reconfigurar seu hardware para se tornar um sistema Galaxy, Deepsky ou Fullmoon, sem precisar aprender um software inteiramente novo ou comprar uma máquina completamente nova. Os pesquisadores disponibilizaram as plantas, as listas de peças e o software para o público, convidando outros cientistas a construir e melhorar seus designs.

Os resultados deste trabalho mostram que a imagem tridimensional avançada não é mais o domínio exclusivo de instalações centrais bem financiadas. Ao provar que um ecossistema modular de peças comuns pode entregar alto desempenho em uma ampla gama de aplicações, os pesquisadores democratizaram o acesso a essas ferramentas poderosas. Eles mostraram que, com o design certo, um laboratório pode construir um microscópio que não é apenas uma ferramenta de propósito único, mas uma plataforma versátil capaz de crescer com a ciência. Essa mudança significa que mais pesquisadores podem agora explorar a complexidade tridimensional total da vida, desde a menor célula até o órgão inteiro, usando instrumentos que eles mesmos podem construir e controlar.