Microscopía de dos fotones sensible a la polarización para una caracterización estructural amiloide sin marcadores

En las últimas décadas, aunque ha habido un desarrollo significativo de numerosas técnicas de microscopía de fluorescencia para la bioimagen de proteínas y sus agregados¹, solo unas pocas se han utilizado para resolver su ordenamiento local dentro de la muestra ^2,3. Se utilizó la microscopía de fluorescencia⁴ para estudiar la heterogeneidad estructural intrínseca de las superestructuras amiloides-esferulitas. Además, la determinación cuantitativa del ordenamiento local dentro de bioestructuras complejas y densamente empaquetadas, como las esferulitas, podría resolverse utilizando métodos sensibles a la polarización³. Sin embargo, las técnicas de fluorescencia estándar con penetración superficial en el tejido son limitadas, ya que el uso de longitudes de onda UV-VIS para excitar fluoróforos in vivo conduce a una alta dispersión de la luz tisular⁵. Además, este tipo de imágenes a menudo requiere el diseño y la unión de sondas fluorescentes específicas a una biomolécula específica, lo que aumenta el costo y la cantidad de trabajo necesario para realizar las imágenes.

Recientemente, para abordar estos problemas, nuestro equipo ha adaptado la microscopía de fluorescencia excitada por dos fotones sensible a la polarización (ps-2PFM) para obtener imágenes sin marcadores de estructuras biológicas ^6,7. Ps-2PFM permite medir la dependencia de la intensidad de fluorescencia de dos fotones en la dirección de polarización lineal del haz de excitación y el análisis de la polarización de la fluorescencia emitida⁸. La implementación de esta técnica requiere la suplementación de la ruta de excitación estándar de configuración de microscopio multifotónico (Figura 1) con una placa de media onda para controlar el plano de polarización de la luz. A continuación, se crean gráficos polares, que representan la dependencia de la intensidad de la fluorescencia excitada por dos fotones en la polarización del rayo láser de excitación, a partir de las señales recogidas por dos fotodiodos de avalancha, recogiendo así los dos componentes mutuamente perpendiculares de la polarización de la fluorescencia.

El último paso es el proceso de análisis de datos, teniendo en cuenta el impacto de los elementos ópticos, como espejos dicroicos o un objetivo de alta apertura numérica, sobre la polarización. Debido a la naturaleza del proceso de dos fotones, este método proporciona una fotoselección angular reducida y una resolución axial mejorada, ya que la excitación de dos fotones de los fluoróforos fuera del plano focal está probabilísticamente limitada. También se demostró que se podían implementar con éxito métodos similares para la obtención de imágenes in vivo de sondas de infrarrojo cercano (NIR) para la obtención de imágenes de tejidos profundos⁹. Ps-2PFM se ha aplicado previamente para obtener imágenes de fluoróforos en membranas celulares¹⁰ y ADN^11,12, así como marcadores fluorescentes no estándar de sistemas biológicos, como las nanopartículas de oro¹³. Sin embargo, en todos estos ejemplos, la información sobre la organización de las biomoléculas se obtenía de forma indirecta y requería una orientación mutua predefinida entre un fluoróforo y una biomolécula.

En uno de nuestros artículos recientes, hemos demostrado que ps-2PFM podría aplicarse con éxito para determinar la polarización local de la autofluorescencia de las superestructuras de amiloide y la fluorescencia de la tioflavina T, un colorante específico de amiloide, unido a las fibrillas de amiloide en las esferulitas⁶. Además, en otro, hemos demostrado que ps-2PFM podría utilizarse para detectar la orientación de las fibrillas amiloides dentro de las esferulitas amiloides en un régimen de tamaño submicrónico, lo que se confirmó al correlacionarlo con imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM)⁷. El logro de este resultado fue posible gracias a i) la autofluorescencia intrínseca de esferulitas-amiloides, cuando se excitan con uno o dos fotones, exhiben autofluorescencia intrínseca con máximos de emisión ubicados en un rango de 450 a 500 nm y secciones transversales de absorción de dos fotones comparables con los colorantes fluorescentes estándar¹⁴, ii) modelos matemáticos introducidos anteriormente para describir cómo se podría aplicar el ps-2PEF de colorantes que marcan membranas biológicas y estructuras de ADN a fluorescencia exhibida por esferulitas y colorantes unidos a ellas ^8,11,15. Por lo tanto, antes de continuar con el análisis, recomendamos encarecidamente revisar la teoría requerida descrita tanto en el texto principal como en la información de apoyo de nuestro primer artículo sobre este tema⁶. Aquí, presentamos el protocolo de cómo aplicar la técnica ps-2PFM para una caracterización estructural amiloide libre de etiquetas de esferulitos de insulina bovina.