En la Figura 1 se muestra una visión general del principio del dispositivo ImageStream. Este genera múltiples imágenes de alta resolución de cada célula en flujo, incluyendo campo brillante (BF), campo oscuro (DF o luz dispersada lateralmente) y canal(es) de fluorescencia, como se ejemplifica en la Figura 2 con tres células diferentes marcadas con CNTs. También se muestran las superposiciones de estos canales, que a primera vista ilustran la correlación.
Dado que todo el análisis posterior se basa en imágenes celulares, la selección de células enfocadas es crucial para el estudio (Figura 3). De hecho, la presencia de CNTs induce cambios tanto en el contraste como en el gradiente en comparación con células no marcadas: las células enfocadas, que han internalizado una cantidad importante de CNTs, tienden a tener un gradiente rms bajo (parámetro que normalmente se utiliza de forma única para discriminar entre células enfocadas versus desenfocadas), pero también un contraste elevado, lo que explica por qué un gráfico biparamétrico es esencial. En la Figura 3 se muestra la discriminación entre células desenfocadas (área amarilla) versus células enfocadas (área azul).
Los CNT internalizados por las células son claramente distinguibles, especialmente en el campo brillante, donde aparecen como puntos oscuros de fuerte absorción (véase el efecto de diversas concentraciones de marcado, Figura 4). Además, se analizó la señal media de píxeles en el campo brillante, obteniéndose una cuantificación relativa de la incorporación: las gráficas de la Figura 5 muestran un aumento significativo con la concentración de marcado de los CNT (resultados de aproximadamente 7.000 células por condición experimental).
En segundo lugar, la cuantificación de los CNT también es posible mediante el uso de máscaras, aplicadas ya sea sobre un rango restringido de píxeles oscuros del BF o sobre los píxeles de alta intensidad del DF (véanse ejemplos en la Figura 6), correspondientes a los puntos resultantes de la presencia de CNT. Así, graficar el área de estas máscaras permite resaltar, así como observar el aumento en la absorción (ejemplificado en la Figura 7 con el área de la máscara en BF, seleccionando píxeles en el rango de 0-533).
Además, la correlación entre los puntos en BF y DF se puede evaluar graficando la intensidad de DF frente a la señal media de píxeles en BF (como en la Figura 8) (análisis independiente de máscara) o el área de la máscara en BF (Máscara 1) frente al área en DF (Máscara 2).
Con respecto al procedimiento creado para la localización de los CNT dentro de las células, la figura 9A muestra las diferentes máscaras que se generaron. Téngase en cuenta que la robustez de las máscaras de localización (basadas en la erosión de la máscara celular predeterminada) debe verificarse visualmente en un conjunto de células marcadas y no marcadas. Las mismas máscaras se utilizan para todas las muestras.
Graficar el área total de los puntos negros en la membrana celular versus el área total en toda la célula proporciona una puntuación de internalización para células incubadas durante 20 h a 37 °C en comparación con una incubación de 2 h a 4 °C (véase Figura 9B); esto indica que los CNT se localizan principalmente en la membrana a 4 °C, mientras que a 37 °C los CNT se internalizan en más del 90 % de las células.
Finalmente, en cuanto a la fluorescencia, este parámetro no se utilizó como indicador para la cuantificación de los CNT debido a una correlación demasiado baja entre los puntos fluorescentes y los puntos en campo claro (y campo oscuro). De hecho, la correlación entre la intensidad de FITC y el valor medio de píxeles en campo claro indica un coeficiente de correlación de Pearson de -0,2. En la Figura 10, se ilustran dos casos en los que la señal de fluorescencia coincide adecuadamente o no con el punto negro en campo claro.

Figura 1. Visión general del funcionamiento del ImageStream. El sistema de imágenes multiespectrales adquiere hasta 12 imágenes/célula en tres modos diferentes: campo claro, campo oscuro y fluorescencia. La configuración consta de 5 láseres de excitación, incluyendo 405, 488, 560 y 658 nm. La luz se recoge de las células que fluyen en la cubeta mediante diferentes objetivos (en este estudio se utilizó el objetivo de 40X) y se dirige al elemento de descomposición espectral, que consiste en un conjunto de filtros paso alto dispuestos en una configuración angular. La cámara CCD que capta las imágenes celulares opera mediante una técnica denominada integración con retardo temporal para evitar el desenfoque de las imágenes. La profundidad extendida de campo (EDF) es una opción.

Figura 2. Galería de imágenes de células marcadas con nanotubos de carbono (50 μg/mL) capturadas mediante ImageStream a través de diversos canales (campo claro (BF), campo oscuro (DF), fluorescencia (FITC) y sus superposiciones). Los nanotubos de carbono confinados dentro de lisosomas intracelulares aparecen como grandes puntos negros en las imágenes de campo claro. Por el contrario, generan puntos brillantes en las imágenes de campo oscuro y en las de fluorescencia.

Figura 3. Selección de células enfocadas. El gráfico de puntos bivariado que representa el gradiente de la raíz cuadrada media (rms) frente al contraste en las imágenes de campo claro permite excluir las células desenfocadas. Aquí, el área amarilla representa células desenfocadas, mientras que las células enfocadas se muestran en azul. Las células desenfocadas se caracterizan por tener tanto bajo contraste como bajo valor rms del gradiente en la imagen de campo brillante. Además del gradiente rms, se requiere la característica de contraste para discriminar las células enfocadas tras su marcado con nanotubos de carbono (CNTs).

Figura 4. Captación dependiente de la dosis de CNT visualizada mediante ImageStream. El número y el área de los puntos negros en las imágenes de campo claro aumentan con la dosis de CNT durante la incubación con las células (que varía de 0 a 50 µg/ml). Obsérvese que las células control carecen de puntos negros.

Figura 5. Cuantificación relativa de la incorporación de CNT basada en las imágenes de campo brillante. Los histogramas de la característica media de píxeles aplicada a la máscara «objeto», que incluye toda la célula, muestran claramente un comportamiento dependiente de la dosis, que puede utilizarse para la cuantificación. El rango R9 incluye las células positivas para CNT.

Figura 6. Creación de máscaras para seleccionar puntos oscuros en imágenes de campo claro y puntos brillantes en imágenes de campo oscuro. Dado que los nanotubos de carbono (CNT) aparecen como puntos oscuros fuertemente absorbentes en la imagen de campo claro, se crea una máscara de umbral para seleccionar un rango restringido de píxeles con baja intensidad comprendida entre 0-533 en este estudio (Máscara 1, notación: Intensity(M01, BF, 0-533)). Por el contrario, se utiliza una máscara que se ajusta a los píxeles de alta intensidad (150-4095 en este caso) en la imagen de campo oscuro (Máscara 2, notación: Intensity (M06, DF, 150-4095)) para seleccionar puntos brillantes en campo oscuro, correspondientes a áreas de alta dispersión.

Figura 7. La absorción dependiente de la dosis de CNTs se demuestra mediante la cuantificación del área de los puntos negros en las imágenes de BF. Mediante la aplicación de una máscara de umbral (máscara 1) sobre BF, se puede cuantificar el área de los puntos negros para cada célula, mostrando una distribución dependiente de la dosis.

Figura 8. Los métodos de cuantificación de CNT basados en imágenes BF (absorción) y DF (dispersión) están correlacionados. A la izquierda, píxel medio en la imagen de BF versus intensidad en la imagen de DF, muestran una buena correlación para células marcadas con CNTs (50 µg/ml) (coeficiente de correlación de Pearson r = -0.68). A la derecha, área de la máscara que ajusta las manchas oscuras en BF versus área del ajuste de la máscara a los puntos brillantes en campo oscuro (DF) para células marcadas con CNTs (50 µg/ml). El coeficiente de correlación de Pearson es r = -0,83. Se representan valores de 7.000 células.

Figura 9. Localización de CNT en células utilizando máscaras específicas. (A) Se crean máscaras para ajustarse a una ubicación particular de la célula, de izquierda a derecha: toda la célula, solo la membrana y el interior de la célula. Otra máscara ajusta las manchas negras gracias a un umbral de intensidad (Máscara 1, notación: Intensity(M01, BF, 0-533)). (B) La evaluación de la localización de los CNT se puede obtener midiendo el área de las manchas negras en diferentes localizaciones de las células, utilizando las máscaras de localización descritas en A. La incubación con CNT (50 µg/ml) se realizó tanto a 37 °C como a 4 °C para inhibir la vía de internalización. El gráfico que representa el área negra en la membrana frente al área negra en toda la célula muestra una absorción dependiente de la dosis de CNT en la membrana a 4 °C, mientras que la internalización completa de los CNT es efectiva a 37 °C.

Figura 10. Colocalización de puntos negros inducidos por CNT en campo brillante (BF) con puntos brillantes de fluorescencia en la imagen de FITC. Los puntos brillantes de fluorescencia no siempre se colocalizan con los puntos negros en el campo brillante. Coinciden adecuadamente en las primeras dos células mostradas, pero no en las últimas dos células.