Revolutionaire microscopie onthult ongekende cellulair detail in realtime

Wetenschappers ontwikkelen een nieuwe microscoop die subcellulaire dynamica in multicellulaire organismen kan visualiseren. Hiervoor combineerden ze Lattice light-sheet microscopie en Adaptieve optiek-technieken. Ze konden organellen gedrag observeren vormend zichzelf binnen cellen, in realtime.

Uitdagingen

Al meer dan 3 eeuwen gebruiken onderzoekers microscopieën om cellen te observeren. Tot nu toe zijn de beste visualisaties verkregen van geïsoleerde cellen op glasplaatjes. Het observeren van cellen in multicellulaire organismen in realtime is echter een veel complexere taak gebleven.

Meestal zijn doelcellen omringd door moleculaire structuren of weefsels die het lichtbundel van en naar een microscoop-objectief verstoren, wat cruciale details vervaagt. Een krachtigere bundel gebruiken is geen perfecte oplossing omdat het weefsels en andere moleculaire structuren deels kan beschadigen/vervormen.

Hoe deden ze het?

Om met deze problemen om te gaan, combineerden onderzoekers 2 technieken:

1. Lattice light-sheet microscopie die de snelheid van beeldverwerking verhoogt terwijl fototoxiciteit-geïnduceerde celschade vermindert.
2. Adaptieve optiek die inkomende golffrontverstoringen vermindert door actief een spiegel te vormgeven. Dit wordt doorgaans gebruikt in astronomische telescopen.

In lattice light-sheet microscopie wordt gestructureerd lichtblad gebruikt om fluorescentie in opeenvolgende vlakken van een specimen op te wekken. Dit produceert een reeks 3D-beelden die inzicht geven in dynamische biologische processen.

Waarbij adaptieve optiek functioneert door golffrontverstoringen te analyseren en te compenseren met een instrument die die fouten corrigeert zoals een vloeistofkristal-array of een deformeerbare spiegel.

Ze pasten deze principes toe in het veld van microscopie met behulp van een two-photon laser die een adaptieve optiek-opstelling genereert. Terwijl het lattice lichtblad een multicellulair organisme binnendringt, behoudt deze opstelling de dunne illuminatie van het blad, wat vervagingsvrije beelden van doelcellen genereert.

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

Resultaten

Zoals je nu wellicht hebt geraden, waren de resultaten zeer indrukwekkend. Je kunt in de afbeelding zien, een kankercel [in groen weergeven] die zich een weg banst door de bloedvatwand [paars] duidelijk zichtbaar is. De onderstaande afbeelding toont cellen van een zebravisoog in 3D.

Onderzoekers konden visualiseren (in realtime) organellen gedrag als ze zichzelf vormden binnen cellen. Feitelijk vingen ze de nabij-moleculaire details van receptor-gemedieerde endocytose – een proces waarin cellen hormonen, metabolitten en andere eiwitten absorberen.

Wat is de volgende stap?

Onderzoekers werken nu aan het maken van deze technologie eenvoudiger en goedkoper. Het huidige systeem past op een 3 meter lange tafel. De volgende versie zou compact en betaalbaar zijn. Verder zal de eerste microscoop geïnstalleerd worden op Janelia Research Campus, waar andere wetenschappers het kunnen gebruiken.