Revista Digital Universitaria
ISSN: 1607 - 6079 Publicación mensual
 
1 de octubre de 2012 Vol.13, No.10
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Reconstrucción y visualización 3D del interior de las células
Mónica Buendia Padilla y Javier Ambrosio
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¿Visualizar una célula en 3D?
Visualización 3D en Biología Celular
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Visualización 2D y 3D

Aunque en la actualidad se cuentan con estrategias de visualización computacional que permiten la observación tridimensional (3D) y la navegación por inmersión virtual, aún es común que en la biología, durante la enseñanza de la composición interior de las células, se empleen modelos en ambientes bidimensionales o de dos dimensiones (2D) (Stith, 2004). Así, la enseñanza se vuelve más compleja y cabe la posibilidad de que haya una menor comprensión en relación a la distribución de los componentes biológicos en el interior de las células, y con ello se entienda aún menos la función de los componentes intracelulares dentro de un ambiente tan limitado. Por esto, ya no es adecuado continuar intentando enseñar la dinámica y composición celulares en un ambiente 2D, más cuando existe un consenso bien aceptado de que la biología celular es dinámica tridimensionalmente (Alvania, 2011). Si uno observa una imagen en 2D (en la que se sólo se presenta en dos ejes: x,y), las células parecen planas y da la impresión que todos sus componentes (organelos y complejos moleculares) están en ese mismo plano. En cambio, cuando uno observa una imagen 3D (en la que se observa la célula en tres ejes: x,y,z), los componentes intracelulares aparecen distribuidos en distintos planos, lo cual muestra que el ambiente intracelular es espacial. Un ejemplo de ello puede verse en las figuras aquí presentadas, donde una célula (un macrófago de ratón) internaliza (fagocita) a otras células sanguíneas (eritrocitos de carnero). En las imágenes, tanto el núcleo del macrófago. como los eritrocitos. se marcaron con distintos compuestos químicos fluorescentes, mientras que el núcleo se marcó específicamente con el reactivo conocido como DAPI, el cual se une al material genético del macrófago, el otro, conocido como FITC, se unió especialmente a las proteínas de la superficie de los eritrocitos (Dado que estas células ya maduraron, perdieron su núcleo y por ello no son teñidas con el DAPI). Luego, debido a la naturaleza química de los compuestos, se les excita con una longitud de onda específica por lo que se les observa con una fluorescencia colorida. Por lo tanto, los núcleos de los macrófagos se ven azules y los eritrocitos, verdes.


Figura 1. Macrófago con eritrocitos en su interior. Observación bajo la técnica de Nomarsky (gris). El núcleo del macrófago se ve en azul y los eritrocitos de carnero en verde. La imagen fue obtenida en un microscopio confocal OLYMPUS FV1000 con el objetivo 60x, apertura numérica 1.35 y zoom digital 5. Cada una de las 5 divisiones de la barra blanca representa 1 micra.

Cuando se observa la figura 1 (una imagen 2D), hay incertidumbre de cuál es la forma, el tamaño y la distribución real del núcleo y de los eritrocitos dentro de la célula, mucho menos una idea del nivel en que se encuentran en el microambiente espacial del macrófago. Ahora, gracias a la ventaja técnica que brinda la microscopía confocal, si se ve a la misma célula bajo diferentes niveles del eje axial (eje z), a lo largo de su grosor (Fig. 2), se observa que la distribución del marcaje fluorescente cambia en el interior de la célula. Por lo tanto, bajo este tipo de visualización es posible estimar mejor la distribución espacial del marcaje de los componentes intracelulares. Este tipo de observación mejora sustancialmente la comprensión de lo que estudia y permite interpretar mejor la forma, el tamaño, la localización de los componentes intracelulares, así como su posible dinámica y función.


Figura 2. Serie de cortes en el eje z de un macrófago en proceso de fagocitosis de eritrocitos. En la imagen se presentan 32 secciones ópticas (cada una de 0.49 µm de grosor). Nótese que la distribución de los componentes celulares marcados fluorescentemente varía en cada una de las secciones. El color del marcaje fluorescente corresponde a lo indicado en la fig1

Sin embargo, incluso cuando se observe detenidamente la secuencia de imágenes de la figura 2, aún hay incertidumbre acerca de cómo se distribuyen las estructuras marcadas fluorescentemente en el microambiente celular. Por ello, si tales observaciones microscópicas son agrupadas y procesadas computacionalmente, es posible generar reconstrucciones y visualizaciones de la célula completa bajo un ambiente 3D como se aprecia en la figura 4. La generación de esta imagen tridimensional permite que la célula sea analizada bajo distintos ángulos de observación, lo que nunca podrá ser obtenido mediante las técnicas microscópicas convencionales. Aún mejor, gracias al manejo computacional de las imágenes reconstruidas, es posible observarlas con mayor o menor aumento; rotarlas y seccionarlas de forma digital en cualquier plano (véase el video 1s) y efectuar inmersiones virtuales en el interior de las células reconstruidas. En el observatorio IXTLI de la DGTIC de la UNAM se cuenta con una tecnología computacional que permite la inmersión virtual de un objeto que modifica la percepción y la sensación de lo que se observa en una pantalla simple. En la Facultad de Medicina, también de la UNAM, este tipo de observaciones e inmersiones virtuales ya forman parte de la enseñanza de la medicina. En ambos sitios, aun cuando inicia el empleo de la tecnología para la observación e inmersión virtual en 3D de las células, ya es una forma de apreciación de las imágenes que definitivamente impacta la forma de estudiar y comprender la biología de las células como ya se ha establecido en la literatura (Murphy, 2003) y como puede observarse para la reconstrucción tridimensional del citoesqueleto del parásito protozoario Gardia lamblia y las células flama de cisticercos de Taenia solium .


Figura 3. Serie de cortes en el eje z de un macrófago al inicio de la fagocitosis de un eritrocito. Observación bajo la técnica de Nomarsky (gris). El núcleo del macrófago se ve en azul y el eritrocito de carnero en verde. La imagen fue obtenida en un microscopio confocal OLYMPUS FV1000 con el objetivo 60x, apertura numérica 1.35 y zoom digital 9.



Figura 4. Reconstrucción 3D de un macrófago con eritrocitos en su interior. Reconstrucción 3D de superficie, a partir de las 32 secciones ópticas (de 0.49 µm de grosor c/u) mostradas en la figura 2, con el programa Amira V 5.3.2. El cubo representa el volumen y los ejes x,y,z se indican en la parte inferior-izquierda en rojo, verde y azul, respectivamente. El color amarillo corresponde al color gris producido por la técnica de Normasky y sugiere el límite y la forma de la célula (el macrófago). Obsérvese que con la reconstrucción se ve que no todos los eritrocitos están en el interior del macrófago y que posiblemente ello indique que estaban en proceso de inicio de la fagocitosis porque están adheridos a la superficie celular. Núcleo (azul); eritrocitos (verdes). Cada una de las imágenes de la figura pueden ser observadas de forma individual, con la ayuda de anáglifos, presentadas en las figuras 1s1-1s4 del material suplementario.

 
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