EPFL-wetenschappers hebben een nieuw type microscoopglaasje ontwikkeld dat de hoeveelheid licht in fluorescentiemicroscopie met een factor 25 kan verhogen. Deze nieuwe glaasjes kunnen licht zowel versterken als richten, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen variërend van diagnose in een vroeg stadium tot de snelle archivering van pathologiemonsters.

Voor wetenschappers, de glasplaatjes die worden gebruikt om monsters voor te bereiden om onder een microscoop te bekijken, zijn een essentieel onderdeel van hun werk - en ze zijn in bijna 200 jaar niet veel veranderd.

Aan het Instituut voor Micro-engineering in Neuchâtel, onderdeel van EPFL's School of Engineering, onderzoekers hebben een nieuw type glasplaatje ontwikkeld dat in strijd is met de traditie. Hun dia's hebben een coating die licht "structureert", waardoor tot 25 keer meer licht kan worden uitgestraald en daardoor de gevoeligheid van de microscopen waarmee ze worden gebruikt, wordt verbeterd.

Nicolas Descharmes en Raphaël Barbey ontwikkelden hun objectglaasjes speciaal voor fluorescentiemicroscopie, die veel wordt gebruikt om kanker en auto-immuunziekten te diagnosticeren, allergieën of sequentie-DNA te identificeren. Hun ontwerp heeft unieke optische eigenschappen en maakt de detectie van zeer kleine hoeveelheden licht mogelijk. Dit kan vooral nuttig zijn voor het stellen van een diagnose in een vroeg stadium, het snel identificeren van specifieke soorten kanker en het snel archiveren van pathologiemonsters. "In het ideale geval onze dia's kunnen worden gebruikt om de aanwezigheid van één molecuul te detecteren, waar 25 moleculen nodig zouden zijn op conventionele glaasjes", zegt Descharmes.

De wetenschappers hebben hun technologie gepatenteerd, en hun dia's - die al door onderzoekers op verschillende gebieden zijn gebruikt - zullen binnenkort bij verschillende bedrijven worden getest. Het paar heeft de steun gekregen van EPFL, de stichting Gebert Rüf en Innosuisse, en is van plan om in de komende maanden hun eigen bedrijf te lanceren. Door hun startup, Descharmes en Barbey kunnen de productie opschalen en de glaasjes beschikbaar stellen aan ziekenhuislaboratoria en diagnostiekaanbieders.

Twee belangrijke nadelen wegnemen

Fluorescentiemicroscopie werkt door het detecteren van het licht dat verbindingen die fluoroforen worden genoemd, uitzenden wanneer ze worden opgewonden. Specifieker, fluoroforen absorberen licht bij een bepaalde golflengte, de excitatiegolflengte genoemd, en, in antwoord, licht uitstralen met een langere golflengte, de emissiegolflengte genoemd. Met fluorescentiemicroscopen, wetenschappers kunnen objecten bekijken die van nature fluorescerend zijn of die zijn gemarkeerd met een fluorofoor, en dat zou met een gewone microscoop onmogelijk te zien zijn.

Maar er zijn twee belangrijke nadelen aan het gebruik van objectglaasjes in fluorescentiemicroscopie. Eerst, fluoroforen zenden meestal een zeer kleine hoeveelheid licht uit. En ten tweede, het meeste licht dat ze uitstralen gaat verloren in de dia, wat betekent dat het niet kan worden gebruikt. Als resultaat, veel verbindingen zijn moeilijk of zelfs onmogelijk te detecteren, tenzij er een vrij grote hoeveelheid in het monster zit.

Een optische laagcake

De dia's van Descharmes en Barbey hebben een gelaagde structuur die in staat is de elektromagnetische omgeving rond de monsters te beheersen. Wanneer er licht op de fluoroforen in een monster schijnt, ze stralen meer licht uit dan op een conventionele dia, en al dat licht wordt op de detector van de microscoop gericht. Dat resulteert in beelden die duidelijker zijn of sneller kunnen worden gegenereerd.

"Wat ik tot nu toe heb gezien is veelbelovend, " zegt Severine Lorrain, een senior technicus bij UNIL's Protein Analysis Facility die werkt aan het detecteren van eiwitten in monsters. "Ik was echt onder de indruk van hoe efficiënt de objectglaasjes zijn in het versterken van het fluorescentiesignaal. Dat betekent dat ik een aparte signaalversterkingsstap kon vermijden - een groot voordeel aangezien die stap vaak achtergrondruis veroorzaakt."

Jessica Dessimoz, hoofd van de EPFL Histology Core Facility, vindt de nieuwe glaasjes ook veelbelovend:"Het oppervlak van deze glaasjes verbetert de visualisatie van het fluorescerende signaal en vermindert de benodigde belichtingstijd. Het zou erg nuttig kunnen zijn voor toepassingen zoals cyclische immunofluorescentie."

Diagnose in een vroeg stadium inschakelen

De EPFL-wetenschappers richten zich op verschillende toepassingen voor hun uitvinding, zoals de vroege diagnose van sommige soorten kanker of het gemakkelijker lezen en archiveren van histopathologische dia's, die vaak worden gebruikt bij de analyse van biopsieën. Volgens Barbey, "Het scannen van conventionele dia's in fluorescentie duurt lang omdat de signalen zwak zijn. Maar met onze dia's, het proces zou veel sneller kunnen gaan. Het moeilijkste zal zijn onderzoekers ervan te overtuigen een aantal van hun oude glaasjes op te geven!" Raphaël Barbey werkt momenteel aan de industrialisering van de productie van deze glaasjes met een ander Neuchâtel-vlaggenschip van technologie:het CSEM (Zwitsers centrum voor elektronica en microtechnologie).

Deze nieuwe glaasjes markeren een verschuiving op het gebied van fluorescentiemicroscopie. Bijna alle microscooponderdelen zijn de afgelopen decennia continu geoptimaliseerd, behalve de dia's. De lichtbronnen zijn nu krachtiger, de camera's zijn gevoeliger en de lenzen van betere kwaliteit. "Verrassend genoeg, de slides zijn een beetje vergeten in dit verbeterproces, ", zegt Barbey. "Het voordeel van onze aanpak is dat het een kleine verandering met zich meebrengt voor microscoopgebruikers, maar de prestaties van hun instrumenten aanzienlijk kan verbeteren."