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La imagen multicolor es uno de los aspectos fundamentales de la microscopía de fluorescencia biológica, en los casos en que la relación espacial de diferentes moléculas o estructuras es de gran interés. La aberración cromática, una aberración óptica de la luz policromática causada por la dispersión, cambia la posición aparente de los objetos de color de interés. Del mismo modo, los microscopios equipados con múltiples cámaras dedicadas a adquirir cada color tienen cambios cromáticos más complejos debido a las diferencias en los elementos ópticos y la alineación imperfecta entre los canales. Por lo tanto, tales cambios cromáticos pueden conducir a una conclusión falsa a menos que el usuario lo corrija explícitamente. Aunque los cambios cromáticos no han sido un problema importante mientras la resolución de la microscopía esté limitada por el límite de resolución clásico, el reciente desarrollo de la microscopía de superresor resolución1 ha provocado la necesidad de una corrección más precisa de los cambios cromáticos.
Ha sido una práctica común medir los cambios cromáticos de los sistemas de microscopio utilizando una diapositiva de calibración de perlas multicolor2. El método de calibración basado en perlas es adecuado para medir los desplazamientos cromáticos de toda la óptica del microscopio hacia la superficie del cubreobjetos2. Este método, sin embargo, es incapaz de medir los cambios cromáticos en las muestras biológicas de interés. Es importante tener en cuenta que muchas muestras biológicas son tridimensionales (3D), y los cambios cromáticos de tales muestras son diferentes de los que se encuentran en la superficie del cubreobjetos. Además, los cambios cromáticos cambian con las condiciones de imagen2,,3. Hemos medido los cambios cromáticos en muestras biológicas 3D y hemos encontrado que la incertidumbre de los cambios cromáticos era a menudo hasta 350 nm por el método clásico de calibración multicolor-perla3. Por lo tanto, los cambios cromáticos deben medirse en muestras biológicas a la profundidad de interés y en las condiciones de imagen que se utilizan.
Aquí, describimos procedimientos para medir los cambios cromáticos en muestras biológicas y corregir estos cambios utilizando nuestro software, Chromagnon3. Para medir los cambios cromáticos en muestras biológicas, nuestro método utiliza dos tipos de conjuntos de datos, una imagen "objetivo" y una imagen de "referencia". La imagen "objetivo" es una imagen multicolor de interés, por ejemplo, imágenes manchadas para ADN, envolvente nuclear y microtúbulos. A menudo es imposible medir los cambios cromáticos en una imagen de este tipo. Por lo tanto, necesitamos una imagen de "referencia" que se dedique a medir los cambios cromáticos en la muestra. La única definición de una imagen de "referencia" es una imagen multicolor del mismo objeto. En este sentido, una imagen de cuentas multicolor también es un tipo de imagen de referencia. Aquí, describimos tres tipos diferentes de imagen de referencia que se utilizan para medir los cambios cromáticos en las muestras biológicas: "imágenes de referencia de habla cruzada", "imágenes de referencia de campo brillante" e "imágenes de referencia de calibración biológica". El tipo de imagen de referencia depende del tipo de microscopio utilizado o de la precisión de corrección requerida como se resume en la Tabla 1.
| Diafonía | Campo brillante | Calibración biológica (en una diapositiva diferente) | Calibración biológica (en la misma diapositiva) |
| Precisióna
| +++ | + | ++b
| +++ |
| Simplicidad | ++ | +++ | ++ | ++ |
| Microscopía aplicable | Campo amplio | Campo amplio | todo | todo |
| Disponibilidad de la alineación local | + | + | -c
| -c
|
a: El número de "+" indica un aumento de la calificación. Una sola ventaja es de aproximadamente 50 nm y tres más es de aproximadamente 15 nm en 3D. b: La precisión depende de cuánto se mantengan constantes las condiciones de imagen variables. c: La calibración local medida por muestras de perlas multicolores se puede combinar como se describe en la sección 4 del protocolo. |
Tabla 1: Parámetros al elegir el tipo de imágenes de referencia.
Las "imágenes de referencia de crosstalk" tienen la mayor precisión de corrección y son relativamente sencillas de lograr3,4 (Tabla 1). El inconveniente es su limitación en aplicaciones de microscopía debido a su incapacidad para medir los cambios cromáticos en las trayectorias de excitación. Además, para obtener estas imágenes, el microscopio debe estar equipado con espejos dicroicos multibanda y filtros de emisión que se controlen independientemente de los filtros de excitación o fuentes de luz. La microscopía adecuada incluye microscopía convencional de campo ancho, microscopía de localización de molécula única (SMLM) como microscopía de localización fotoactivada/microscopía de reconstrucción óptica estocástica (PALM/STORM)5,6 y microscopía de expansión7 observada con microscopía de campo ancho. Se adquiere una imagen de referencia de conversación cruzada desde el propio ejemplo de destino. Es una imagen de fluorescencia de crosstalk (sangrado a través) de un tinte obtenido en todos los canales requeridos. La emisión de fluorescencia siempre se expande hacia las longitudes de onda más largas, por lo tanto, los tintes con la longitud de onda de emisión más corta se excitan para obtener fluorescencia de interferencia en canales de longitudes de onda más largas. Por ejemplo, cuando la muestra se tiñe con azul, verde y rojo, solo se excita el tinte azul y la luz de emisión se obtiene en los canales azul, verde y rojo. En este protocolo, se utilizó ADN manchado con 4o,6-diamidino-2-fenilindole (DAPI) para obtener fluorescencia de interferencia.
Las "imágenes de referencia de campo brillante" son una alternativa más fácil y menos fototóxica a las "imágenes de referencia de conversación cruzada", pero son las menos precisas3 (Tabla 1). Se trata de imágenes de campo brillantes de la muestra de destino, adquiridas en todos los canales de color utilizados en la imagen de destino.
Las "imágenes de referencia de calibración biológica" tienen la ventaja de ser aplicables a cualquier tipo de microscopía debido a su capacidad para medir los cambios cromáticos tanto en las rutas de excitación como en las rutas de emisión3,8 (Tabla 1). La microscopía adecuada incluye microscopía de campo amplio, microscopía confocal, microscopía de láminas de luz, agotamiento de emisiones estimulada (STED)9,microscopía de iluminación estructurada (SIM)10,Airyscan/SORA11,12, SMLM observado con el modo de fluorescencia de reflexión interna total (TIRF), Olympus super resolución (OSR)13,etc. Una imagen de referencia de calibración biológica se adquiere a partir de una muestra de calibración preparada de forma similar a la muestra objetivo, pero con la tinción de una sola estructura con múltiples colores. La precisión de corrección sobresale la resolución de la mayoría de la microscopía de superresor resolución y la preparación de una muestra de calibración biológica puede ser relativamente simple. Otra ventaja es la disponibilidad para "promedio" de múltiples imágenes de referencia. Por lo tanto, aunque las imágenes individuales contienen poca información para la medición de los cambios cromáticos, el contenido de la información se puede aumentar promediando varias imágenes. La precisión depende de cuánto se mantengan constantes las condiciones de imagen. En este sentido, se obtiene el mejor rendimiento cuando las muestras de destino y de referencia están en la misma diapositiva, utilizando, por ejemplo, vidrios de cubierta de cámara de 8 pozos(Tabla 1, más a la derecha). En este protocolo, actin manchado con tres colores de faloide se utilizó como calibración biológica.
Una vez que se obtiene una imagen de referencia, el desplazamiento cromático es medido y corregido por nuestro software Chromagnon. No hay limitación en el número de canales, secciones Z y marcos de tiempo para los que Chromagnon puede medir y corregir los cambios cromáticos. Chromagnon mide los cambios cromáticos en dos pasos. El primer paso adquiere los parámetros de alineación "global" o "afines" de la traducción en los ejes X, Y, Z, la ampliación a lo largo de los ejes X, Y, Z y la rotación alrededor del eje Z. La precisión del cálculo de la alineación global es de 16 nm en 3D y 8 nm en 2D. El segundo paso es una "alineación local" iterativa 2D opcional en imágenes proyectadas para obtener una mayor precisión. En el proceso de alineación local, las imágenes se subdividen en varias regiones y se miden los desplazamientos cromáticos en estas regiones locales. Posteriormente, las regiones se dividen y los desplazamientos cromáticos en las subregiones se miden de forma iterativa hasta que el número de píxeles de la región alcanza el número mínimo de píxeles (normalmente 60 x 60 píxeles). El mapa de alineación local resultante se combina con el parámetro de alineación global y se aplica a la imagen de destino mediante una transformación elástica. Después de este paso, la precisión del cálculo se mejora a 14 nm en 3D y 6 nm en 2D. La alineación local no es adecuada para imágenes de referencia de calibración biológica porque la estructura biológica de la referencia es diferente de la del objetivo (Tabla 1). Por lo tanto, solo se utiliza la alineación global para las imágenes de referencia de calibración biológica.
Los cambios cromáticos locales se originan en dos fuentes; distorsión local instrumental del microscopio y la inhomogeneidad estructural biológica. Debido a que la distorsión local instrumental del microscopio es constante, esto se puede medir a partir de la muestra de referencia de cuentas multicolor y corregirse como un parámetro fijo. Chromagnon puede combinar el mapa de distorsión local instrumental del microscopio y los parámetros de alineación global de las calibraciones biológicas (Tabla 1). Usando este método, se espera que la precisión media de la calibración biológica se mejore en un adicional de 1-2 nm.
Aquí, describimos un protocolo para corregir los cambios cromáticos de las imágenes de fluorescencia 3D utilizando nuestro software Chromagnon,desde el extremo inferior más fácil hasta la más alta precisión. Utilizamos la inmunostaining de las células de HeLa como ejemplo y las observamos usando microscopía de campo ancho 3D y 3D-SIM. En la primera sección, describimos cómo preparar muestras de destino y muestras de calibración biológica. Esta parte del protocolo debe optimizarse para los objetivos específicos de la investigación. En la segunda sección, describimos los métodos de adquisición para tres tipos de imágenes de referencia por microscopios. La suposición era obtener canales azules, verdes y rojos, pero la composición del canal debía ser modificada por los objetivos específicos de la investigación y por las configuraciones del microscopio. No importa si el microscopio está equipado con una sola cámara o varias cámaras. En la tercera sección, describimos cómo se puede utilizar nuestro software para medir y corregir los cambios cromáticos de la imagen de destino mediante el uso de imágenes de referencia. Por último, en la cuarta sección, describimos un método para complementar las imágenes de referencia de calibración biológica mediante la calibración local instrumental de un microscopio.