Light-sheet fluorescentiemicroscopie is een opwindende nieuwe beeldvormingsmethode die gebruik maakt van dunne vellen licht om afbeeldingen te maken van grote biologische monsters zoals vliegen- en vissenembryo's, muizen en zelfs stukjes menselijk weefsel. En het gebruik ervan zou kunnen leiden tot een minder ingrijpende en effectievere diagnose voor patiënten.

Aan de Universiteit van St. Andrews, we hebben onlangs de ongebruikelijke eigenschappen van gevormde laserstralen gebruikt om een ​​helderder beeld dieper in de specimens te krijgen - met behulp van stralen die buigen en rond hoeken buigen en helderder worden, in plaats van gedimd, als ze reizen.

In tegenstelling tot, als je een vinger kort voor een conventionele laserpointer houdt, zul je merken dat je vinger gloeit terwijl de straal het licht in alle richtingen verstrooit en er slechts een kleine hoeveelheid licht doorkomt.

Microscopie heeft zich in een hoog tempo ontwikkeld sinds de ontwikkeling ervan meer dan 350 jaar geleden, toch blijft het een uitdaging om grote driedimensionale (3-D) monsters af te beelden. Dit betekent dat biologische monsters meestal eencellige lagen zijn die op een dun glasplaatje zijn gegroeid, wat geen erg realistisch scenario is.

Mensen zijn 3D-wezens en ziekteonderzoek moet daar rekening mee houden. Als een persoon een medicijn krijgt voor één ziekte, het zou mooi zijn als het er niet nog een veroorzaakte. Om deze reden evolueert veel biomedisch onderzoek naar 3D-modellen om ziekten zoals Alzheimer en Parkinson nauwkeuriger te bestuderen.

Echter, light-sheet fluorescentiemicroscopie is een technologie die bijzonder geschikt is om grote volumes snel en zonder schade in beeld te brengen. De geometrie voor deze vorm van microscopie werd oorspronkelijk ontwikkeld aan het begin van de 20e eeuw om de studie van nanodeeltjes te vergemakkelijken.

Richard Zsigmondy won in 1925 de Nobelprijs voor scheikunde, gedeeltelijk voor de ontwikkeling van deze technologie, maar raakte later buiten gebruik. Het was pas met de komst van laserverlichting en natuurlijk voorkomende fluorescerende biomarkers die lichtplaatmicroscopie, in de afgelopen twee decennia, zag een renaissance in biomedische beeldvorming.

Pageturner

Het gebrek aan contrast in een afbeelding kan een belangrijke wegversperring zijn als het gaat om het afbeelden van grote monsters. Het is hetzelfde als proberen in het donker een boek met transparante pagina's te lezen.

Als je met een fakkel naar het boek schijnt, zijn de woorden op de pagina zichtbaar, maar je ziet ook de woorden voor en achter de pagina die je aan het lezen bent, waardoor het extreem moeilijk is om te zien welk woord van welke pagina komt. Hetzelfde probleem is van toepassing op het proberen in grote monsters te kijken met behulp van fluorescentiemicroscopie.

Wanneer lees de light-sheet manier, het boek wordt weer toegankelijk door simpelweg de fakkel aan de zijkant van het boek te houden en deze over elke pagina afzonderlijk te laten schijnen.

Bij lichtbladmicroscopie, een dun vel licht wordt in de zijkant van het monster gestuurd dat dwars door het deel gaat waar je naar wilt kijken. Op deze manier, fluorescentie wordt nog steeds gegenereerd in het gebied van interesse, maar nergens anders en het eindresultaat is een helder, duidelijk beeld. Door de lichte plaat dunner te maken, kleinere objecten worden zichtbaar.

De echte uitdaging is het maken van een superdunne lichte plaat die over een heel monster snijdt. Ondanks de innovatieve beeldvormingsbenadering, de lichtplaat wordt nog steeds beheerst door de regels van de optica. Een standaard laserstraal - ook wel een Gauss-straal genoemd - wordt beperkt door divergentie.

Als je een Gauss-bundel tot een punt focust, het zal divergeren en daarna uitbreiden. Als je het scherper focust, het zal sneller uitbreiden. Dit beperkt de lengte van superdunne lichte vellen, en dus kan het niet worden gebruikt voor het afbeelden van grote objecten.

Onderzoekers begonnen in 2010 het gebruik van exotische bundels met ongebruikelijke eigenschappen te onderzoeken voor het maken van lichtplaten. Deze bundels bedriegen divergentie en veranderen niet van vorm of grootte terwijl ze reizen en kunnen dus dun blijven over veel grotere afstanden dan een standaard Gauss-bundel, het geven van een microscoop met hoge resolutie en een groot beeldgebied.

Exotische balken voor de overwinning

Bessel balken en Airy balken, waarvan gezegd wordt dat ze een "triple-win" opleveren voor microscopie, zijn de meest opvallende exotische balken om de regels te buigen.

Deze exotische bundels zorgen niet alleen voor een grotere resolutie over een groot beeldgebied, maar ze verspreiden ook hun energie en beschermen zo het monster tegen intense laserstralingsschade. Ze zijn ook bestand tegen verstrooiing en worden dus niet vervormd, resulterend in licht-vellen en afbeeldingen van hoge kwaliteit.

Onlangs, we hebben de vorm van deze speciale balken verder onder controle gekregen, gebruikmakend van bundels en lichtplaten die in intensiteit kunnen toenemen en helderder kunnen worden naarmate ze reizen. Het gebruik van lichtplaten die helderder worden, betekent dat we meer signaal krijgen van diep in de preparaten waar absorptie er normaal gesproken voor zou zorgen dat de lichtplaat en het beeld ruis en veel zwakker zouden worden.

De techniek is gebaseerd op het regelen van de manier waarop energie binnen het monster wordt verspreid. De naïeve manier om meer signaal uit diepere delen van een monster te krijgen, zou zijn om het laservermogen te verhogen, wat veel schade aan het oppervlak van het monster zou kunnen veroorzaken. Door selectief meer energie alleen in de diepe lagen te concentreren, we kunnen het signaal verhogen op een manier die het monster niet mag schaden.

Ons onderzoek heeft aangetoond dat deze vorm van licht gunstig is voor beeldvorming van lichtplaten, maar we verwachten ook dat het de grenzen van een reeks andere optische beeldvormingstechnieken kan verleggen, zoals optische coherentietomografie - een soort "optische ultrageluid" beeldvormingsmethode die veel klinische toepassingen vindt, waaronder retinale beeldvorming.

Het is een spannende tijd om met zulke exotische balken te werken.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.