De binnenkant van levende cellen kan in meer detail dan ooit tevoren in hun natuurlijke staat worden gezien met behulp van een nieuwe techniek die is ontwikkeld door onderzoekers in Japan. Deze vooruitgang zou moeten helpen de complexe en fragiele biologische interacties van medische mysteries te onthullen, zoals hoe stamcellen zich ontwikkelen of hoe medicijnen effectiever kunnen worden afgegeven.

"Ons systeem is gebaseerd op een eenvoudig concept, dat is een van de voordelen, " zei universitair hoofddocent Takuro Ideguchi van het University of Tokyo Research Institute for Photon Science and Technology. De resultaten van Ideguchi's team zijn onlangs gepubliceerd in optiek , het onderzoekstijdschrift van de Optical Society.

De nieuwe methode heeft ook de voordelen om levende cellen te gebruiken zonder ze te beschadigen via intens licht, of het kunstmatig hechten van fluorescerende tags aan specifieke moleculen.

De techniek combineert twee reeds bestaande microscopie-instrumenten en gebruikt ze tegelijkertijd. De combinatie van deze hulpmiddelen kan eenvoudig worden gezien als een kleurboek.

"We verzamelen de zwart-witomtrek van de cel en kleuren virtueel de details in over waar verschillende soorten moleculen zich bevinden, ' zei Ideguchi.

Kwantitatieve fasemicroscopie verzamelt informatie over de zwart-witomtrek van de cel met behulp van lichtpulsen en meet de verschuiving in de lichtgolven nadat ze door een monster zijn gegaan. Deze informatie wordt gebruikt om een ​​3D-beeld van de belangrijkste structuren in de cel te reconstrueren.

Moleculaire vibratiebeeldvorming levert de virtuele kleur met behulp van pulsen van middeninfrarood licht om energie toe te voegen aan specifieke soorten moleculen. Die extra energie zorgt ervoor dat de moleculen gaan trillen, die hun lokale omgeving opwarmen. Onderzoekers kunnen ervoor kiezen om de temperatuur van specifieke soorten chemische bindingen te verhogen door verschillende golflengten van middeninfrarood licht te gebruiken.

Onderzoekers nemen een kwantitatief fasemicroscopiebeeld van de cel met het middeninfrarode licht uitgeschakeld en een afbeelding met ingeschakeld. Het verschil tussen die twee afbeeldingen onthult vervolgens zowel de omtrek van de belangrijkste structuren in de cel als de exacte locaties van het type molecuul dat het doelwit was van het infraroodlicht.

Onderzoekers verwijzen naar hun nieuwe gecombineerde beeldvormingsmethode als biochemische kwantitatieve fasebeeldvorming met mid-infrarood fotothermisch effect.

"We waren onder de indruk toen we voor het eerst de moleculaire vibratiesignatuur van eiwitten observeerden, en we waren verder opgewonden toen dit eiwitspecifieke signaal op dezelfde locatie verscheen als de nucleolus, een intracellulaire structuur waar grote hoeveelheden eiwitten zouden worden verwacht, ' zei Ideguchi.

Het team van Ideguchi hoopt dat hun techniek onderzoekers in staat zal stellen de verdeling van fundamentele soorten moleculen in afzonderlijke cellen te bepalen. De kwantitatieve fasemicroscopie-omtrek van belangrijke structuren zou virtueel kunnen worden gekleurd door verschillende golflengten van licht te gebruiken om specifiek op eiwitten te richten, lipiden (vetten) of nucleïnezuren (DNA, RNA).

Momenteel, het vastleggen van één volledig beeld kan 50 seconden of langer duren. Onderzoekers zijn ervan overtuigd dat ze het proces kunnen versnellen met eenvoudige verbeteringen aan hun tools, inclusief een krachtigere lichtbron en een gevoeligere camera.