Ons venster op de cellulaire wereld is zojuist een stuk duidelijker geworden.

Door twee beeldtechnologieën te combineren, wetenschappers kunnen nu in ongekende 3D-details kijken terwijl kankercellen kruipen, spinale zenuwcircuits worden bedraad, en immuuncellen cruisen door het binnenoor van een zebravis.

Natuurkundige Eric Betzig, een groepsleider op de Janelia Research Campus van het Howard Hughes Medical Institute, en collega's melden het werk 19 april, 2018, in het journaal Wetenschap .

Wetenschappers hebben al honderden jaren levende cellen met microscopen in beeld gebracht, maar de scherpste beelden zijn afkomstig van cellen die op glasplaatjes zijn geïsoleerd. De grote groepen cellen in hele organismen klauteren licht door elkaar als een zak vol knikkers, zegt Betzig. "Dit roept de knagende twijfel op dat we cellen niet in hun oorspronkelijke staat zien, gelukkig genesteld in het organisme waarin ze evolueerden."

Zelfs wanneer de cellen afzonderlijk worden bekeken, de microscopen die het meest worden gebruikt om de interne werking van cellen te bestuderen, zijn meestal te traag om de actie in 3D te volgen. Deze microscopen baden cellen met licht dat duizenden tot miljoenen keren intenser is dan de woestijnzon, zegt Betzig. "Dit draagt ​​ook bij aan onze angst dat we cellen niet in hun natuurlijke, onbeklemtoonde vorm.

"Er wordt vaak gezegd dat zien is geloven, maar als het gaat om celbiologie, Ik denk dat de meest geschikte vraag is:'Wanneer kunnen we geloven wat we zien?'", voegt hij eraan toe.

Om deze uitdagingen aan te gaan, Betzig en zijn team combineerden twee microscopietechnologieën die ze voor het eerst rapporteerden in 2014, hetzelfde jaar deelde hij de Nobelprijs voor de Scheikunde. Om het licht te ontwarren van cellen die in organismen zijn begraven, de onderzoekers wendden zich tot adaptieve optica - dezelfde technologie die door astronomen wordt gebruikt om een ​​duidelijk beeld te geven van verre hemellichamen door de turbulente atmosfeer van de aarde. Vervolgens, om de interne choreografie van deze cellen snel maar voorzichtig in 3D in beeld te brengen, het team gebruikte roosterlicht microscopie. Die technologie veegt snel en herhaaldelijk een ultradun vel licht door de cel terwijl een reeks 2D-beelden wordt verkregen, het bouwen van een 3D-film met hoge resolutie van subcellulaire dynamiek.

De nieuwe microscoop is in wezen drie microscopen in één:een adaptief optisch systeem om de dunne verlichting van een lichtrooster te behouden als het in een organisme binnendringt, en een ander adaptief optisch systeem om vervormingsvrije beelden te creëren wanneer u van bovenaf op het verlichte vlak kijkt. Door een laser door beide paden te laten schijnen, de onderzoekers creëren een helder lichtpunt in de regio die ze willen verbeelden. De vervormingen in het beeld van deze "gidsster" vertellen het team de aard van de optische aberraties langs beide paden. De onderzoekers kunnen deze vervormingen corrigeren door gelijke maar tegengestelde vervormingen toe te passen op een gepixelde lichtmodulator aan de excitatiezijde, en een vervormbare spiegel bij detectie. Bij grote volumes, de vervormingen veranderen als het licht door verschillende weefsels gaat. In dit geval, het team assembleert grote 3D-beelden uit een reeks subvolumes, elk met zijn eigen onafhankelijke excitatie- en detectiecorrecties.

De resultaten bieden een opwindende nieuwe kijk op biologie, en onthullen een bruisende metropool in actie op subcellulair niveau. In een filmpje van de microscoop, een vurige oranje immuuncel kronkelt waanzinnig door het oor van een zebravis terwijl hij onderweg blauwe suikerdeeltjes opschept. In een andere, een kankercel volgt kleverige aanhangsels terwijl het door een bloedvat rolt en probeert te kopen op de vaatwand.

De complexiteit van de 3-D meercellige omgeving kan overweldigend zijn, Betzig zegt, maar de helderheid van de beeldvorming van zijn team stelt hen in staat om de individuele cellen in weefsel computationeel uit elkaar te "exploderen" om zich te concentreren op de dynamiek binnen een bepaalde, zoals de hermodellering van interne organellen tijdens celdeling.

Al deze details zijn moeilijk te zien zonder adaptieve optica, zegt Betzig. "Het is gewoon te verdomd vaag." Naar zijn mening, adaptieve optica is tegenwoordig een van de belangrijkste gebieden in het microscopieonderzoek, en de microscoop met roosterlicht, die uitblinkt in 3D live imaging, is het perfecte platform om zijn kracht te demonstreren. Adaptieve optica is nog niet echt van de grond gekomen, hij zegt, omdat de technologie ingewikkeld is, duur, en tot nu toe, niet duidelijk de moeite waard. Maar binnen 10 jaar Betzig voorspelt, overal zullen biologen aan boord zijn.

De volgende grote stap is om die technologie betaalbaar en gebruiksvriendelijk te maken. "Technische demonstraties en publicaties komen niet neer op een berg bonen. De enige maatstaf waarmee een microscoop moet worden beoordeeld, is hoeveel mensen hem gebruiken, en de betekenis van wat ze ermee ontdekken, ' zegt Betzig.

De huidige microscoop vult een 10 meter lange tafel. "Het is nu een beetje een monster van Frankenstein, " zegt Betzig, die naar de Universiteit van Californië verhuist, Berkeley, in de herfst. Zijn team werkt aan een versie van de volgende generatie die op een klein bureau zou moeten passen tegen een prijs die binnen het bereik van individuele laboratoria ligt. Het eerste dergelijke instrument gaat naar Janelia's Advanced Imaging Center, waar wetenschappers van over de hele wereld een aanvraag kunnen indienen om het te gebruiken. Plannen om hun eigen kopieën te maken zullen ook vrij beschikbaar worden gesteld. uiteindelijk, Betzig hoopt dat de adaptieve optische versie van de roostermicroscoop gecommercialiseerd zal worden, net als het basisroosterinstrument ervoor. Dat zou adaptieve optica in de mainstream kunnen brengen.

"Als je de cel in vivo echt wilt begrijpen, en beeld het af met de kwaliteit die mogelijk is in vitro, dit is de toegangsprijs, " hij zegt.