Uma visão geral do princípio do dispositivo ImageStream é apresentada na Figura 1. Ele produz múltiplas imagens de alta resolução de cada célula em fluxo, incluindo campo claro (BF), campo escuro (DF ou luz espalhada lateralmente) e canal(is) de fluorescência, conforme exemplificado na Figura 2 com três células diferentes marcadas com CNTs. As sobreposições desses canais também são mostradas, ilustrando à primeira vista a correlação.
Como toda a análise pós-processamento é baseada na imagem celular, a seleção de células focadas é crucial para o estudo (Figura 3). Na verdade, a presença de CNTs induz alterações no contraste e no gradiente em comparação com células não marcadas: células focadas, que internalizaram uma quantidade significativa de CNTs, tendem a apresentar um gradiente rms baixo (parâmetro normalmente utilizado para discriminar células focadas versus desfocadas), mas também um contraste acentuado, o que explica a necessidade de um gráfico biparamétrico. Na Figura 3 é mostrada a discriminação entre células desfocadas (área amarela) versus células focadas (área azul).
Os CNTs internalizados pelas células são claramente distinguíveis — especialmente em BF, aparecendo como pontos escuros fortemente absorventes (veja o efeito de diversas concentrações de marcação, Figura 4). Além disso, o sinal médio dos pixels em BF foi analisado, fornecendo uma quantificação relativa da captação: os gráficos na Figura 5 mostram seu aumento significativo com a concentração de marcação dos CNTs (resultados para cerca de 7.000 células por condição experimental).
Em segundo lugar, a quantificação de CNTs também é possível por meio do uso de máscaras, aplicadas em uma faixa restrita de pixels escuros do BF ou nos pixels de alta intensidade do DF (ver exemplos na Figura 6), correspondentes aos pontos resultantes da presença de CNTs. Assim, o cálculo da área dessas máscaras permite evidenciar, bem como o aumento da captação (exemplificado na Figura 7 com a área da máscara no BF, selecionando pixels variando de 0-533).
Além disso, a correlação entre pontos em BF e DF pode ser avaliada plotando-se a intensidade em DF versus o sinal médio de pixels em BF (como na Figura 8) (análise independente de máscara) ou a área da máscara em BF (Máscara 1) versus a área em DF (Máscara 2).
No que diz respeito ao procedimento criado para a localização de CNTs no interior das células, Figura 9A exibe as diferentes máscaras que foram criadas. Observe que a robustez das máscaras de localização (baseadas na erosão da máscara celular padrão) deve ser verificada visualmente em um conjunto de células marcadas e não marcadas. As mesmas máscaras são utilizadas para todas as amostras.
A representação da área total das manchas escuras na membrana celular versus a área total na célula inteira fornece um índice de internalização para células incubadas por 20 horas a 37 °C em comparação com a incubação de 2 horas a 4 °C (ver Figura 9B); isso indica que os CNTs estão principalmente localizados na membrana a 4 °C, enquanto a 37 °C os CNTs são internalizados em mais de 90% das células.
Finalmente, em relação à fluorescência, este parâmetro não foi utilizado como indicador para a quantificação de CNTs devido à baixa correlação entre os pontos fluorescentes e os pontos em campo claro (e campo escuro). De fato, a correlação entre a intensidade de FITC e o valor médio de pixels em campo claro indica um coeficiente de correlação de Pearson de -0,2. Na Figura 10, são ilustrados dois casos nos quais o sinal de fluorescência corresponde ou não adequadamente à mancha escura em campo claro.

Figura 1. Visão geral do ImageStream – funcionamento geral. O sistema de imagem multiespectral adquire até 12 imagens/célula em três modos diferentes: campo claro, campo escuro e fluorescência. A configuração consiste em 5 lasers de excitação, incluindo 405, 488, 560 e 658 nm. A luz é coletada das células em fluxo na cubeta com diferentes objetivas (neste estudo, foi utilizada a objetiva de 40X) e direcionada ao elemento de decomposição espectral, que consiste em um conjunto de filtros de passagem longa dispostos em arranjo angular. A câmera CCD que coleta as imagens das células opera com uma técnica chamada integração com atraso temporal, a fim de evitar borrões nas imagens. A profundidade estendida de campo (EDF) é uma opção.

Figura 2. Galeria de imagens de células marcadas com nanotubos de carbono (50 μg/mL) capturadas pelo ImageStream por meio de diversos canais (Campo Claro (BF), Campo Escuro (DF), fluorescência (FITC) e suas sobreposições). Os nanotubos de carbono confinados nos lisossomos intracelulares aparecem como grandes pontos pretos nas imagens de campo claro. Por outro lado, criam pontos brilhantes nas imagens de campo escuro e de fluorescência.

Figura 3. Seleção de células em foco. O gráfico de pontos bivariado que representa o gradiente da raiz média quadrática (rms) versus contraste em imagens de campo claro permite a exclusão de células desfocadas. Aqui, a área amarela representa células desfocadas, enquanto as células em foco são representadas em azul. As células desfocadas são caracterizadas por baixo contraste e baixo gradiente rms na imagem de campo claro. Além do gradiente rms, a característica de contraste é necessária para discriminar células em foco após sua marcação com nanotubos de carbono (CNTs).

Figura 4. Absorção dependente da dose de CNTs visualizada por ImageStream. O número e a área de pontos pretos nas imagens de campo claro aumentam com a dose de CNTs durante a incubação com as células (variando de 0-50 µg/ml). Observe que as células controle não apresentam pontos pretos.

Figura 5. Quantificação relativa da captação de CNT com base nas imagens de campo claro. Os histogramas da característica média de pixel aplicada à máscara "objeto", que representa a célula inteira, mostram claramente um comportamento dependente da dose, o qual pode ser utilizado para quantificação. O intervalo R9 engloba as células positivas para CNT.

Figura 6. Criação de máscaras para selecionar pontos escuros em imagens de campo claro (BF) e pontos claros em imagens de campo escuro (DF). Como os nanotubos de carbono (CNTs) aparecem como pontos escuros fortemente absorventes na imagem de campo claro (BF), cria-se uma máscara de limiar para selecionar uma faixa restrita de pixels com baixa intensidade, compreendida entre 0-533 neste estudo (Máscara 1, notação: Intensity(M01, BF, 0-533)). Por outro lado, utiliza-se uma máscara ajustada aos pixels de alta intensidade (150-4095 neste caso) na imagem de campo escuro (DF) (Máscara 2, notação: Intensity(M06, DF, 150-4095)) para selecionar pontos claros no campo escuro, correspondentes às áreas de alta dispersão.

Figura 7. A absorção dose-dependente de CNTs é demonstrada pela quantificação da área de pontos escuros em imagens BF. Utilizando uma máscara de limiar (máscara 1) aplicada em BF, a área dos pontos escuros pode ser quantificada para cada célula, mostrando uma distribuição dependente da dose.

Figura 8. Métodos de quantificação de CNT baseados em imagens BF (absorção) e DF (espalhamento) são correlacionados. À esquerda, pixel médio na imagem de contraste de fase versus intensidade na imagem de DF, mostram uma boa correlação para células marcadas com CNTs (50 µg/ml) (coeficiente de correlação de Pearson r = -0,68). À direita, área da máscara ajustada aos pontos escuros em BF versus área do ajuste da máscara em pontos brilhantes no campo escuro para células marcadas com CNTs (50 µg/ml). O coeficiente de correlação de Pearson é r = -0,83. Os valores de 7.000 células foram plotados.

Figura 9. Localização de CNTs em células utilizando máscaras específicas. (A) São criadas máscaras para ajustar-se a uma localização específica da célula, da esquerda para a direita: toda a célula, somente a membrana e o interior da célula. Outra máscara ajusta-se aos pontos pretos graças a um limiar de intensidade (Máscara 1, notação: Intensity(M01, BF, 0-533). (B) A avaliação da localização de CNTs pode ser obtida pela medição da área de pontos pretos em diferentes localizações das células, utilizando as máscaras de localização descritas em A. A incubação com CNTs (50 µg/mL) foi realizada tanto a 37 °C quanto a 4 °C para inibir a via de internalização. O gráfico que representa a área preta na membrana versus a área preta em toda a célula mostra uma absorção dose-dependente de CNTs na membrana a 4 °C, enquanto a internalização completa de CNTs é eficaz a 37 °C.

Figura 10. Colocalização de pontos pretos induzidos por CNT no campo claro (BF) com pontos brilhantes fluorescentes na imagem de FITC. Os pontos brilhantes fluorescentes nem sempre estão colocalizados com os pontos pretos no campo claro. Eles coincidem adequadamente nas duas primeiras células exibidas, mas não nas duas últimas células.