Revolutionaire microscopie onthult ongekende mobiele details in realtime

• Wetenschappers ontwikkelen een nieuwe microscoop die de subcellulaire dynamiek in meercellige organismen in beeld kan brengen. 
• Om dit te doen, hebben ze tralielicht-plaatmicroscopie en adaptieve optica-technieken gecombineerd. 
• Ze waren in staat het gedrag van organellen te observeren terwijl ze zichzelf in cellen vormen, in realtime. 

In 1665 gebruikte Robert Hooke een microscoop om naar een klein stukje kurk te kijken en ontdekte kleine blokjes, die hij ‘cellen’ noemde. Sindsdien zijn er talloze pogingen ondernomen door veel innovatieve geesten om een beter beeld te geven van deze bouwstenen van het leven.

Nu hebben onderzoekers van de Harvard Medical School en het Howard Hughes Medical Institute een geavanceerde microscoop ontwikkeld die uitzonderlijke details kan vastleggen, waaronder 3D-foto's en video's van een levende cel.

De resolutie van de microscoop is in staat om de subcellulaire dynamiek in meercellige organismen in beeld te brengen, zoals de dynamiek van blaasjes (microscopische belletjes) die moleculaire lading via cellen transporteren.

Uitdagingen

Al meer dan drie eeuwen gebruiken onderzoekers microscopen om cellen te observeren. Tot nu toe zijn de beste visualisaties verkregen uit cellen die op glasplaatjes zijn geïsoleerd. Het in realtime observeren van cellen in meercellige organismen is echter een veel complexere taak gebleven.

Meestal worden doelcellen omringd door moleculaire structuren of weefsels die de lichtbundel verstoren die van een microscoopobjectief binnenkomt en teruggaat, waardoor de cruciale details vervagen. Het gebruik van een krachtige straal is geen perfecte oplossing, omdat dit weefsels en andere moleculaire structuren gedeeltelijk kan beschadigen/vervormen.

Hoe hebben ze dat gedaan?

Om deze problemen aan te pakken, combineerden onderzoekers 2 technieken –

1. Licht-bladmicroscopie met traliewerk dat de snelheid van beeldacquisitie verhoogt en tegelijkertijd celschade veroorzaakt door fototoxiciteit vermindert.
2. Adaptieve optica dat de binnenkomende golffrontvervormingen vermindert door actief een spiegel vorm te geven. Het wordt over het algemeen gebruikt in astronomische telescopen.

Bij roosterlicht-plaatmicroscopie wordt gestructureerde lichtplaat gebruikt om fluorescentie in de opeenvolgende vlakken van een monster op te wekken. Dit levert een reeks 3D-beelden op die inzicht geven in dynamische biologische processen.

Terwijl adaptieve optica functioneert door de golffrontvervormingen te analyseren en deze te compenseren met een instrument dat deze fouten herstelt, zoals een liquid crystal array of een vervormbare spiegel.

Vereenvoudigd microscoopschema | Met dank aan onderzoekers

Ze pasten deze principes toe op het gebied van microscopie met behulp van een twee-fotonenlaser die een adaptieve optica-opstelling genereert. Terwijl de roosterlichtplaat een meercellig organisme binnendringt, handhaaft deze opstelling de dunne verlichting van de plaat, waardoor vervormingsvrije beelden van doelcellen worden gegenereerd.

Referentie:ScienceMag | doi:10.1126/science.aaq1392 | Harvard Universiteit

Vervolgens valideerden ze deze microscoop op verschillende biologische monsters en ontwikkelden ze essentiële hulpmiddelen die de informatie op effectieve manieren visualiseren. Dit omvat volledig interactieve 3D-video's.

Resultaten

Kankercel | Credits:Rick Groleau en Kevin Jiang

Zoals je misschien al geraden had, waren de resultaten zeer indrukwekkend. Op de afbeelding kun je duidelijk zien dat een kankercel [weergegeven in groen] zich een weg baant door de bloedvatwand [paars]. De onderstaande afbeelding toont cellen van een zebravisoog in 3D.

Cellen van oog van zebravis | Krediet: Liu et al

Onderzoekers waren in staat het gedrag van organellen (in realtime) te visualiseren terwijl ze zichzelf vormgeven in cellen. In feite hebben ze de bijna-moleculaire details van receptor-gemedieerde endocytose vastgelegd – een proces waarbij cellen hormonen, metabolieten en andere eiwitten absorberen.

Wat is het volgende?



Lees:Transmissie-elektronenmicroscoop kan nu nanodeeltjes in 4D zien

Onderzoekers werken er nu aan om deze technologie eenvoudig en goedkoper te maken. Het huidige systeem past in een tafel van 3 meter lang. De volgende versie zou compact en betaalbaar zijn. Bovendien zal de eerste microscoop op de Janelia Research Campus worden geïnstalleerd, waar andere wetenschappers er gebruik van kunnen maken.