Bij het onderzoeken hoe tumoren groeien, of hoe geneesmiddelen verschillende soorten cellen beïnvloeden, onderzoekers moeten begrijpen hoe moleculen in een cel reageren en interageren. Dat kan met moderne lasermicroscopie. Tot nu, echter, moleculen in celmonsters moesten worden gelabeld met fluorescerende stoffen om ze zichtbaar te maken, en dit kan het gedrag van de moleculen zelf verstoren. Onderzoeksgroepen van de Universiteit van Bielefeld en de Universiteit van Hong Kong hebben een lasermicroscoop ontwikkeld die werkt zonder de moleculen te labelen. Voor deze, de onderzoekers innoveerden een unieke compacte fiberlaser in plaats van de solid-state lasers die voorheen werden gebruikt. De nieuwe microscoop maakt bij gebruik veel minder geluid dan de gebruikelijke ontwerpen, waardoor het geschikt is voor gebruik in operatiekamers. De onderzoekers presenteerden hun innovatieve technologie in het tijdschrift Licht:wetenschap en toepassingen , die wordt uitgegeven door Springer Nature.

"Labelvrije microscopische beeldvorming is momenteel een hot topic in biomedisch onderzoek, " zegt professor dr. Thomas Huser, een biofysicus die de onderzoeksgroep Biomolecular Photonics aan de Universiteit van Bielefeld leidt. Zijn team werkte samen met Professor Dr. Kenneth K.Y. Wong's onderzoeksgroep aan de Universiteit van Hong Kong over de fiberlasermicroscoop.

"Vlekken met fluorescerende markers is over het algemeen niet geschikt voor in vivo weefsels, " zegt Huser. "Etiketvrije microscopie is nodig, bijvoorbeeld, onderzoeken hoe uit stamcellen verschillende nieuwe celtypes ontstaan. Het zorgt er ook voor dat een tumor kan worden afgebakend van normaal weefsel zonder kleuring. En we kunnen vaststellen hoe farmaceutische verbindingen reageren met moleculen in de spierweefselcellen van het hart en de lever, evenals andere cellen."

In recente jaren, fiberlasers zijn vaak geëvalueerd voor gebruik in optische nanomicroscopen, waarin licht wordt doorgelaten door glasvezels in plaats van door een vast lichaam van kristal of glas. "Bij microscopen, echter, fiberlasers waren voorheen inferieur aan solid state lasers omdat ze minder krachtig en zeer luidruchtig waren, " legt Huser uit. Om molecuulspecifieke beeldvorming te verkrijgen met hun microscoop, de wetenschappers gebruiken niet één maar twee gesynchroniseerde optische resonatoren (laserholtes). Uit deze resonatoren, de laserstralen convergeren op het te testen monster. Beide lasers zenden hun golflengten uit in korte picosecondepulsen - één picoseconde is een miljardste van een seconde. "Een uitdaging hier was het besturen van de lasers zodat de golflengten het preparaat op precies hetzelfde moment door de lens raken, ", zegt Thomas Huser.

Zoals Dr. Cihang (Sherry) Kong, verklaart, een belangrijk voordeel van de nieuwe fiberlasermicroscoop is dat deze eenvoudiger te bedienen is dan een klassieke solid-state lasermicroscoop. Dr. Kong is een collega van Thomas Huser en een van de hoofdauteurs van deze studie. "Het is minder foutgevoelig, en omdat de moleculen niet eerst gelabeld hoeven te worden, de voorbereiding van het monster duurt niet zo lang als bij het gebruik van andere microscopen." Het prototype van de microscoop zal nu dienen als basis voor het bouwen van draagbare apparaten. "Een compacte microscoop zou dan in de operatiekamer kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld om tumorgrenzen te markeren tijdens een operatie, ", zegt Cihang Kong.

Om ervoor te zorgen dat de fiberlasermicroscoop gemakkelijk kan worden gereproduceerd, de onderzoekers in zowel Bielefeld als Hong Kong werken aan een prototype van het apparaat. Het gezamenlijke onderzoek van de twee groepen werd gefinancierd door de Duitse Academische Uitwisselingsdienst (DAAD) en de Hong Kong Research Grants Council (RGC), en gaat nu verder als onderdeel van het EU-project DeLIVER. "Dit heeft het voor ons mogelijk gemaakt om onze kennis met elkaar te delen - we hebben enkele maanden onderzoek kunnen doen in het laboratorium in Hong Kong, en collega's uit Hong Kong konden naar Bielefeld komen en ons hier helpen, " zegt Dr. Christian Pilger, die lid is van de onderzoeksgroep van Huser en ook een hoofdauteur van de studie is.

"De nieuwe technologie biedt voordelen voor veel biomedische toepassingen, " zegt Kenneth Wong, die aan het hoofd staat van de onderzoeksgroep in Hong Kong. "De vroege detectie van tumoren is daar slechts één specifiek voorbeeld van." Voor Kenneth Wong, het succes van hun onderzoek is het resultaat van een jarenlange nauwe samenwerking tussen de Bielefeld University en de University of Hong Kong. "Onderzoek in biomedische en gezondheidstechnologieën brengt onze beide universiteiten samen, vooral als het gaat om beeldvormingstechnieken."

Voor Thomas Huser, er is een goede kans dat de nieuwe microscoop de komende jaren in klinische toepassingen kan worden gebruikt. "In samenwerking met het ziekenhuis Evangelisches Klinikum Bielefeld lopen er al voorbereidende studies om met de microscoop leverweefselmonsters te analyseren. Onze projectpartners waren verbaasd over wat deze microscoop allemaal kan."