Microscopía Electrónica

¿Qué es la microscopía electrónica?

La microscopía electrónica es una técnica que requiere instrumentos de gran complejidad y personal altamente especializado para el desarrollo adecuado y profundizado en ciertas áreas de estudio, principalmente en la Medicina o en Biología. Agentes patológicos, células benignas o edemas son algunos de los grandes hallazgos, que gracias al desarrollo de la microscopia han logrado un avance tanto científico como social. Empezaré mencionando que el componente principal de la microscopia es sin duda el microscopio electrónico.

Microscopio electrónico

Un microscopio electrónico es aquél que utiliza electrones en lugar de fotones o luz visible para formar imágenes de objetos diminutos. Los microscopios electrónicos permiten alcanzar una capacidad de aumento muy superior a los microscopios convencionales (hasta 2 aumentos comparados con los de los mejores microscopios ópticos) debido a que la longitud de onda de los electrones es mucho menor que la de los fotones "visibles".

Un microscopio electrónico, como el de la imagen, funciona con un haz de electrones generados por un cañón electrónico, acelerados por un alto voltaje y focalizados por medio de lentes magnéticas (todo ello al alto vacío ya que los electrones son absorbidos por el aire). Los electrones atraviesan la muestra (debidamente deshidratada) y la amplificación se produce por un conjunto de lentes magnéticas que forman una imagen sobre una placa fotográfica o sobre una pantalla sensible al impacto de los electrones que transfiere la imagen formada a la pantalla de un ordenador. Los microscopios electrónicos sólo se pueden ver en blanco y negro, puesto que no utilizan la luz, pero se le pueden dar colores en el ordenador. Como se puede apreciar, su funcionamiento es semejante a un monitor monocromático.

Fundamentos físicos de la Microscopia electrónica

La diferencia principal entre microscopia electrónica y óptica es el uso de un haz de electrones en lugar de luz para enfocar la muestra, consiguiendo aumentos de hasta dos millones de veces (106 X). Su diseño se basa en dos principios físicos, uno es el de dualidad onda-partícula predicha por Louis de Broglie en 1924, quien dedujo una ecuación (λ = h/p; h es la constante de Planck) que permite calcular la longitud de onda (λ) esperada para una partícula de masa m con momentum p (p=mv). En microscopía electrónica m representa la masa de un electrón y λ adquiere valores en el intervalo 0.388 – 0.00193 nm, dependiendo del voltaje de aceleración de los electrones. El otro principio físico en el que se basa el diseño de un microscopio electrónico es el de la ley de Lorentz(F= e(vxB), lo cual indica para este caso, que un electrón viajando con velocidad v dentro de un campo magnético B, experimenta una fuerza que hace que el electrón describa una trayectoria helicoidal alrededor de las líneas del B. De esta manera un microscopio electrónico está constituido por lentes electrostáticas y electromagnéticas que desempeñan el mismo papel que una lente de vidrio para el caso de un microscopio de luz.

Comparación entre microscopios electrónicos y de luz

Los microscopios de luz y electrónico son esencialmente, idénticos. Tanto uno como otro nos permiten amplificar aquellos objetos que son indistinguibles a nuestro ojo. La diferencia fundamental entre los dos es la fuente de iluminación. Mientras el microscopio de luz utiliza un haz de luz en el rango de las longitudes de onda del visible, el microscopio electrónico emplea un haz de electrones de muy corta longitud de onda que permite obtener una mayor resolución.

Resolución

El concepto de resolución está relacionado con la capacidad de distinguir detalles finos en una imagen. En otras palabras, es la distancia mínima r1 a la cual podemos distinguir, claramente, dos puntos como entidades separadas. La resolución teórica del microscopio electrónico es:

Para valores de l = 0.037 Å y a = 0.1 radianes, la resolución nominal es 0.2 Å.

Naturaleza de las ondas de electrones

De Broglie mostró que una partícula moviéndose a una velocidad cercana a la de la luz tenía una forma de radiación asociada con ella. Esta relación está expresada por:

donde l es la longitud de onda, h la constante de Plank, m la masa de la partícula y v su velocidad. Si la partícula es un electrón y su velocidad 1/3 de la velocidad de la luz, l = 0.05 A. que es 100.000 veces más corta que la luz verde. Por lo tanto, la resolución de un microscopio que emplee este tipo de radiación será mucho mejor que la de un microscopio de luz.

La naturaleza precisa de estas ondas de electrones es difícil de entender en términos de la física clásica y su descripción se hace mediante la mecánica cuántica. Las ondas de electrones se pueden pensar como un quantum o paquete de radiación que acompaña a cada electrón en su trayectoria, es parte de él y permanece con él. Las características de estas ondas dependen de la posición exacta de un dado electrón en el espacio y en el tiempo; puede expresarse como la probabilidad de encontrar al electrón en esa posición. Las ondas de electrones no deben confundirse con radiación electromagnética, como la que se produce cuando un haz electrónico interactúa con la materia, pierde energía y produce una radiación cuya longitud de onda pertenece al espectro electromagnético.

Existen dos tipos principales de microscopios electrónicos: el microscopio electrónico de transmisión y el microscopio electrónico de barrido.

Microscopía electrónica de transmisión

En esta técnica la preparación teñida es traspasada por un haz de electrones, lo cual proporciona la imagen ultrafina sobre una pantalla ad hoc. El microscopio electrónico de transmisión es capaz de generar un haz de electrones a alta tensión (80kV) y concentrarlo sobre la preparación mediante un complejo sistema de campos electromagnéticos equivalentes a las "lentes" del microscopio de luz. La mayor utilidad de la microscopía electrónica de transmisión es en Oncología. Es particularmente útil en el diagnóstico de neoplasias malignas, ya que permite identificar la estirpe o diferenciación de una neoplasia. Por ejemplo, al demostrar elementos de diferenciación no apreciables a microscopía de luz como desmosomas, propios de células epiteliales, que orientan hacia carcinoma; microvellosidades bien desarrolladas, que sugieren adenocarcinoma; melanosomas en melanoma y gránulos densos rodeados por membrana en carcinoma neuroendocrino. En conjunto con la inmunohistoquímica permite identificar un alto procentaje de las neoplasias malignas (95%). Igualmente, en el diagnóstico diferencial de metástasis tumor maligno indiferenciado en ganglio linfático ( melanoma maligno, carcinoma, linfoma). En el frecuente dilema adenocarcinoma versus mesotelioma maligno pleural; también en el diagnóstico de la granulomatosis de células de Langerhans. Esta técnica juega un papel muy importante en el estudio de las enfermedades del riñón, en particular en glomerulopatías primarias y secundarias. Junto con la inmunofluorescencia directa representan el estudio básico para llegar a un diagnóstico preciso en cada caso. Otras aplicaciones son la identificación de partículas virales intranucleares y citoplasmáticas. También en enfermedades metabólicas para estudiar el tipo de inclusiones o cuerpos de inclusión en las células afectadas (Niemann-Pick, Tay-Sachs, amiloide, etcétera). En enfermedades ampollares de la piel es el único método para diferenciar variedades de epidermólisis bulosa congénita. En ciertas enfermedades respiratorias se ha detectado un trastorno importante del transporte mucociliar. Ultraestructuralmente, se observan cilios con alteraciones en número y disposición del esqueleto ciliar microtubular y ausencia de los brazos internos de dineína y de las espículas radiales del esqueleto microtubular constituyendo el llamado síndrome de cilios inmóviles o disquinesia ciliar. Estas anomalías representan un trastorno de carácter congénito y la microscopía electrónica es el único método que permite hacer un diagnóstico preciso en estos pacientes. En muchos casos la información negativa, o sea la ausencia de algún carácter morfológico específico, puede ser también muy útil . El examen cuidadoso y la evaluación de las características ultraestructurales a la luz del cuadro clínico y la imagen histopatológica al microscopio de luz y los estudios inmunohistoquímicos, permiten un diagnóstico de certeza en la mayoría de los casos.

Microscopía electrónica de barrido

La microscopía electrónica de barrido permite el estudio de superficies celulares. La imagen se obtiene rastreando la superficie de la muestra con un haz electrónico ultrafino. Las señales generadas se recolectan, amplifican y captan en un tubo de rayos catódicos. Se utiliza en forma rutinaria en el estudio de enfermedades del tallo piloso. En estas condiciones hay anomalías estructurales y de superficie de los pelos, que pueden identificarse fácilmente con esta técnica. De esta forma, es posible incluso establecer un pronóstico de reversibilidad de las alteraciones utilizando esta técnica.