Om beeldvorming met hoge resolutie te ondergaan, cellen moeten vaak worden gesneden en in blokjes gesneden, uitgedroogd, beschilderd met giftige vlekken, of ingebed in hars. voor cellen, het resultaat is een zekere dood.

Maar als onderzoekers alleen de innerlijke werking van dode cellen kunnen zien, ze zien maar een deel van het verhaal. Ze kunnen de dynamische real-time processen van levende cellen niet volgen, zoals stofwisselingsreacties of reacties op ziekten of behandelingen.

"Subcellulaire componenten en structuren hebben een diepgaande invloed op het gedrag van de complexe cellulaire machinerie en systeembiologie, " zei Gajendra Shekhawat van de Northwestern University. "Echter, het ontrafelen van de structuren en componenten in de cel is een hele uitdaging omdat ze zo kwetsbaar zijn."

Nu Shekhawat en Vinayak P. Dravid, de Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering bij Northwestern Engineering, hebben een nieuw niet-invasief beeldvormingssysteem ontwikkeld dat het mogelijk maakt om de subcellulaire architectuur van levende cellen op nanometerschaal te bekijken. Echografie Bioprobe genoemd, de techniek combineert ultrasone golven met atoomkrachtmicroscopie, interactie met levende cellen om de veranderingen in hun mechanisch gedrag te bepalen.

Ondersteund door de National Science Foundation (NSF) en het National Heart, Long, en Bloedinstituut, het onderzoek is onlangs gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang . Shekhawat en Dravid dienden als co-corresponderende auteurs van het papier. Shekhawat, een universitair hoofddocent onderzoek in materiaalkunde en engineering, was ook de eerste auteur van het papier. Het onderzoek werd voltooid in het Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental (NUANCE) Center. NUANCE is de leidende faciliteit in het NSF-ondersteunde National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI)-programma, dat zijn hoofdkantoor heeft in Northwestern en de Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental (SHyNE) Resource wordt genoemd.

Ondanks recente ontwikkelingen op het gebied van beeldvorming, er is momenteel geen enkele methode die afbeeldingen met een hoge resolutie en hoge gevoeligheid van levende subcellulaire structuren levert. Fluorescerende en confocale microscopie, dat zijn traditionele methoden voor het bewaken van de biologische interacties in cellen, lijden aan een slechte ruimtelijke resolutie en vereisen invasieve kleurstoffen of labels om het contrast te verbeteren en structuren in biologische weefsels te benadrukken. Beeldvorming van licht en akoestische golven zijn niet in staat om structuren kleiner dan een paar honderd nanometer te bekijken. Scanning probe microscopie kan een zeer hoge ruimtelijke resolutie bieden, maar kan alleen oppervlaktestructuren identificeren in plaats van in een cel te kijken. En hoewel elektronenmicroscopie fijne details op subcellulair niveau kan zien, het is een destructieve techniek die niet kan worden gebruikt voor levende biologische weefsels.

"Er zijn veel wegversperringen geweest, " zei Dravid, die het NUANCE Center en de SHyNE Resource leidt. "Karakterisering van de complexe dynamiek van biologische processen, vooral signaalroutes bij resolutie op nanoschaal, is een uitdaging gebleven."

Shekhawat en Dravid's ultrasone biosonde, echter, omzeilt deze problemen. De ultrasone golven brengen niet-invasief diep begraven intracellulaire kenmerken in beeld. En de atomic force microscopie-sonde zorgt voor een hoge gevoeligheid en mechanisch contrast van de verstrooide ultrasone golven. Het resultaat? Niet-destructief, opmerkelijk contrastrijk, afbeeldingen op nanoschaal van structuren en componenten diep in levende weefsels en cellen.

"Met deze niet-invasieve aanpak, we kunnen realtime beeldvorming volgen van de nanomechanische veranderingen in complexe biologische systemen, " Zei Shekhawat. "Dit zou aanwijzingen kunnen geven voor vroege diagnostiek en mogelijke routes voor het ontwikkelen van therapeutische strategieën."

Volgende, het team is van plan zijn techniek uit te breiden naar diverse biomedische toepassingen, zoals de nanomechanica van zachte weefsels zoals huid, emaille, en botten om hun driedimensionale architectuur te onderzoeken tot ruimtelijke resolutie op nanoschaal.

"Een significante variatie in cellulaire nanostructuren en mechanica kan direct worden beïnvloed door de kankercondities van een cel, "Zei Dravid. "Dus Ultrasound Bioprobe zou ook ons ​​fundamentele begrip van de nanomechanica in het spel in kankercellen kunnen vergroten."