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Las imágenes biomédicas ópticas han sido fundamentales para avanzar en nuestra comprensión de la estructura y función biológicas. Las imágenes se generan modulando la luz de excitación y detectando señales de las interacciones luz-tejido. El primer microscopio compuesto, desarrollado por Hans y Zacharias Janssen alrededor de 1590, utilizaba dos lentes convexas en un tubo, proporcionando un aumento de hasta 30x1. Los microscopios ópticos modernos, después de siglos de avances, ahora pueden alcanzar resoluciones tan finas como 1-3 nm 2,3. Además de ofrecer alta resolución, los sistemas de imágenes avanzados ahora proporcionan una penetración más profunda en el tejido, una mayor eficiencia y un daño mínimo en la muestra, lo que los hace especialmente adecuados para la obtención de imágenes de células y tejidos vivos. Las imágenes sin etiquetas son particularmente ventajosas, ya que capturan información sin interrumpir los procesos intracelulares ni comprometer la integridad de la muestra.
La microscopía de fluorescencia multifotónica (MPF), en particular la microscopía de fluorescencia de dos fotones, se ha utilizado ampliamente para la obtención de imágenes sin marcadores. A diferencia de la microscopía de fluorescencia convencional, que se basa en la absorción y emisión lineal de un solo fotón, la excitación MPF implica la absorción simultánea de múltiples fotones, cuya energía combinada excita una sola molécula de fluoróforo 4,5. Estos fotones, normalmente en el espectro infrarrojo, poseen la mitad o menos de la energía necesaria para la excitación de un solo fotón. Las longitudes de onda más largas y la excitación localizada en el punto focal de este proceso no lineal dan como resultado una menor dispersión, una penetración más profunda en el tejido y una menor fototoxicidad.
La información metabólica celular se puede capturar mediante microscopía MPF sin marcadores a través de la detección de señales de autofluorescencia de sustratos metabólicos endógenos, como el dinucleótido de nicotinamida adenina (NADH) reducido y el dinucleótido de flavina adenina (FAD). Estas coenzimas exhiben distintos espectros de excitación y emisión, y su relación de intensidad de fluorescencia, conocida como relación redox (NADH/FAD), refleja el estado oxidativo de la célula. Desde que Britton Chance introdujo por primera vez el concepto de la relación redox en 1979, sehan propuesto relaciones adicionales, incluyendo NAD(P)H/FAD, NAD(P)H/(FAD + NAD(P)H) y FAD/(FAD + NAD(P)H), 6,7,8,9. La cuantificación de estas proporciones redox ópticas a través de imágenes MPF proporciona información valiosa sobre la dinámica metabólica. Por ejemplo, las imágenes MPF pueden distinguir las células cancerosas de las células normales en función de su metabolismo alterado, lo que demuestra su potencial para el diagnóstico del cáncer 10,11,12. Sin embargo, la detección de autofluorescencia basada en MPF tiene limitaciones. Otros fluoróforos intrínsecos, como la queratina, pueden contribuir a la intensidad de la fluorescencia, lo que conduce a una diafonía espectral y a una interpretación inexacta de la señal13. Además, la relación redox solo refleja los cambios generales de oxidación-reducción celular y no distingue entre NADH de diferentes fuentes (por ejemplo, citoplasmáticas o mitocondriales) o entre NADH y NAD(P)H, ya que ambos exhiben picos espectrales similares a 450 nm, lo que da como resultado señales de intensidad mezcladas14.
La Segunda Generación de Armónicos (SHG), un proceso óptico no lineal demostrado por primera vez en el campo biomédico en la década de 1980, ha sido ampliamente utilizado para la obtención de imágenes sin etiquetas de estructuras celulares15,16. Al igual que el MPF, el SHG implica la absorción simultánea de dos fotones de la misma energía de un láser pulsado ultrarrápido. Estos fotones se recombinan para emitir un nuevo fotón dos veces la frecuencia de la luz incidente, lo que resulta en la detección de la señal del segundo armónico. Esta interacción óptica no lineal ocurre exclusivamente en materiales no centrosimétricos que exhiben una susceptibilidad de segundo orden distinta de cero para inducir una polarización para generar la señal del segundo armónico17,18. Esto hace que SHG sea particularmente eficaz para obtener imágenes de las proteínas filamentosas y las estructuras fibrilares, como el colágeno, la miosina y la tubulina, sin necesidad de colorantes de fluorescencia exógenos 15,17,19,20. La anormalidad en la abundancia, rigidez, alineación y estructura de la fibrosis y el colágeno son prevalentes en muchas afecciones como la inflamación y el cáncer, lo que convierte a la SHG en una herramienta prometedora para la detección eficiente y no invasiva de ciertas condiciones patológicas 21,22,23. La aplicación generalizada de las imágenes SHG en la investigación oncológica, incluidos los estudios sobre los cánceres de mama, ovario y piel, ha puesto de manifiesto su papel crucial tanto en la investigación fundamental como en las posibles aplicaciones clínicas 24,25,26,27.
Diferentes moléculas exhiben distintos niveles de energía vibratoria, que inducen diversos grados de dispersión inelástica cuando son excitadas por la luz incidente, un fenómeno caracterizado por primera vez por C. V. Raman en 192828. Desde entonces, el efecto Raman se ha utilizado ampliamente en microscopía óptica para la detección de composiciones moleculares y de tejidos sin marcaje exógeno. Tanto la dispersión Raman estimulada (SRS) como la dispersión Raman coherente anti-Stokes (CARS) excitan las vibraciones moleculares de manera coherente y aprovechan la interacción no lineal de la luz para producir una señal más fuerte en comparación con la espectroscopia Raman espontánea convencional. El fenómeno SRS se reportó por primera vez en 196229. En 2008, este mecanismo se integró en la obtención de imágenes multifotónicas tridimensionales, lo que permitió la detección selectiva de productos químicos a partir de los cambios de intensidad en los haces de Pump y Stokes debidos a las transiciones vibratorias moleculares30. Este método minimiza la interferencia de fondo no resonante, generando una señal de intensidad limpia que supera a la de CARS. Las imágenes SRS se destacan por proporcionar imágenes multiplexadas e hiperespectrales, lo que permite la detección simultánea de múltiples enlaces químicos y permite la visualización de alta resolución de la composición molecular en muestras con una profundidad de penetración considerable. Aunque es una técnica relativamente nueva, la SRS ha demostrado ser eficaz tanto en el diagnóstico clínico como en la investigación metabólica, in vivo e in vitro30,31,32,33,34,35,36. Por ejemplo, la SRS puede diferenciar los tejidos infiltrados por tumores cerebrales de la corteza y la sustancia blanca mediante la cuantificación de la relación lípido-proteína, lo que permite la delineación de los márgenes tumorales de forma no invasiva y sin etiquetas37,38. Además, las alteraciones metabólicas, a menudo consideradas características distintivas de las enfermedades relacionadas con el envejecimiento y asociadas al cáncer, pueden evaluarse cuantitativamente utilizando SRS logrado mediante la detección de enlaces carbono-deuterio en muestras tratadas con agua pesada (D2O), lo que permite la medición cuantitativa de la síntesis de proteínas, la lipogénesis y otros procesos metabólicos macromoleculares 31,33,34,35,36. La capacidad de rastrear metabolitos con alta resolución temporal y espacial posiciona a SRS como una herramienta prometedora para la investigación y el diagnóstico de enfermedades, con potencial para aplicaciones clínicas más amplias.
Las imágenes multimodales se han convertido en un enfoque poderoso en la investigación biomédica, ya que integran dos o más modalidades de imágenes para obtener una comprensión más completa de los sistemas biológicos complejos dentro de la misma muestra. En 2018, se introdujo una técnica de microscopía de microscopía multiarmónica de autofluorescencia sin marcadores (SLAM), que integra fluorescencia de dos fotones (2PF), fluorescencia de tres fotones (3PF), SHG y tercera generación de armónicos (THG)39. Este enfoque facilita la visualización simultánea de las interacciones celulares, los procesos dinámicos y los componentes individuales dentro del microambiente tumoral. La microscopía SLAM ofrece una perturbación mínima y requisitos de potencia láser reducidos para la muestra, lo que permite la creación de perfiles de tejidos profundos y proporciona un método más seguro para el monitoreo intravital40. Otra modalidad multimodal, que combina espectroscopia de fluorescencia intrínseca, espectroscopia de reflectancia difusa y espectroscopia Raman, ha sido desarrollada para la detección de cáncer in situ durante procedimientos quirúrgicos41. Además, un sistema de endoscopia no lineal multimodal recientemente diseñado, que integra CARS, SHG y fluorescencia de dos fotones (TPF), ha demostrado la capacidad de obtener imágenes de muestras biológicas con una resolución espacial submicrónica y subcelular42. La microscopía combinada de 2PF y SRS se ha utilizado de manera similar para obtener imágenes in vivo de alta resolución de tejidos, células y orgánulos 42,43,44,45. Estas técnicas emergentes de adquisición de imágenes multimodales aprovechan las fortalezas de las modalidades individuales, lo que mejora la resolución, la profundidad de penetración y la eficiencia de adquisición de imágenes, lo que muestra un potencial considerable para aplicaciones clínicas y quirúrgicas.
Este enfoque multimodal se ve cada vez más favorecido sobre las imágenes de monomodalidad porque proporciona una gama más amplia de mediciones al tiempo que mitiga las limitaciones asociadas con las técnicas individuales. Como se ha comentado anteriormente, el MPF mide la fluorescencia endógena para reflejar los cambios metabólicos, el SHG puede obtener imágenes de estructuras no centrosimétricas, como el colágeno, en muestras biológicas, y el SRS detecta predominantemente proteínas y lípidos debido a la alta densidad de enlaces químicos que generan señales Raman distintivas basadas en sus modos vibratorios. Dadas sus propiedades coherentes y el principio compartido de propiedades ópticas no lineales, estas modalidades de imagen pueden integrarse en una sola configuración de microscopio utilizando láseres pulsados ultracortos, lo que permite la adquisición de varios biomarcadores en regiones localizadas para proporcionar una visión más completa de los procesos biológicos44,45. Este artículo describe un protocolo para implementar una plataforma de imágenes multimodal que integra MPF, SHG y SRS para aplicaciones de investigación biomédica.