Wetenschappers van de Universiteit van Texas in Austin hebben een methode gedemonstreerd voor het maken van driedimensionale afbeeldingen van structuren in biologisch materiaal onder natuurlijke omstandigheden met een veel hogere resolutie dan andere bestaande methoden. De methode kan licht werpen op hoe cellen met elkaar communiceren en belangrijke inzichten verschaffen voor ingenieurs die werken aan de ontwikkeling van kunstmatige organen zoals huid of hartweefsel.

Het onderzoek wordt vandaag beschreven in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

De wetenschappers, onder leiding van natuurkundige Ernst-Ludwig Florin, gebruikten hun methode, thermische ruisbeeldvorming genoemd, om afbeeldingen op nanometerschaal te maken van netwerken van collageenfibrillen, die deel uitmaken van het bindweefsel dat in de huid van dieren wordt aangetroffen. Een nanometer is een miljardste van een meter of ongeveer honderdduizendste van de breedte van een mensenhaar. Door collageenfibrillen op deze schaal te onderzoeken, konden de wetenschappers voor het eerst de belangrijkste eigenschappen meten die de elasticiteit van de huid beïnvloeden, iets dat zou kunnen leiden tot verbeterde ontwerpen voor kunstmatige huid of weefsels.

Het maken van scherpe 3D-beelden van structuren op nanoschaal in biologische monsters is buitengewoon moeilijk, deels omdat ze de neiging hebben zacht te zijn en in vloeistof te baden. Dit betekent dat kleine schommelingen in warmte ervoor zorgen dat structuren heen en weer bewegen, een effect dat bekend staat als Brownse beweging.

Om de wazigheid die hierdoor ontstaat te overwinnen, andere beeldvormingstechnieken met superresolutie "repareren" vaak biologische monsters door chemicaliën toe te voegen die verschillende structuren verstevigen, in welk geval, materialen verliezen hun natuurlijke mechanische eigenschappen. Wetenschappers kunnen soms wazigheid overwinnen zonder de monsters te fixeren als, bijvoorbeeld, ze richten zich op stijve structuren die aan een glazen oppervlak zijn geplakt, maar dat beperkt de soorten structuren en configuraties die ze kunnen bestuderen ernstig.

Florin en zijn team pakten het anders aan. Om een ​​afbeelding te maken, ze voegen nanosferen - nanometergrote kralen die laserlicht reflecteren - toe aan hun biologische monsters onder natuurlijke omstandigheden, schijnt een laser op het monster en maak supersnelle snapshots van de nanosferen bekeken door een lichtmicroscoop.

De wetenschappers leggen uit dat de methode, thermische ruis beeldvorming, werkt ongeveer als deze analogie:stel je voor dat je een driedimensionaal beeld moet maken van een kamer in totale duisternis. Als je een gloeiende rubberen bal de kamer in zou gooien en een camera zou gebruiken om een ​​reeks high-speed beelden van de bal te verzamelen terwijl hij rondstuitert, je zou zien dat als de bal door de kamer beweegt, het kan niet door vaste objecten zoals tafels en stoelen bewegen. Door miljoenen foto's te combineren die zo snel zijn gemaakt dat ze niet vervagen, je zou een foto kunnen maken van waar objecten zijn (waar de bal niet heen kan) en waar geen objecten zijn (waar hij wel heen zou kunnen gaan).

Bij thermische ruisbeeldvorming, het equivalent van de rubberen bal is een nanosfeer die in een monster beweegt door natuurlijke Brownse beweging - dezelfde weerbarstige kracht die andere microscopiemethoden heeft bedrogen.

"Dit chaotische wiebelen is hinderlijk voor de meeste microscopietechnieken omdat het alles wazig maakt, " zegt Florin. "We hebben het in ons voordeel gedraaid. We hoeven geen ingewikkeld mechanisme te bouwen om onze sonde te verplaatsen. We leunen achterover en laten de natuur het voor ons doen."

Het oorspronkelijke concept voor de beeldvormingstechniek voor thermische ruis werd gepubliceerd en gepatenteerd in 2001, maar technische uitdagingen hebben tot nu toe verhinderd dat het werd ontwikkeld tot een volledig functionerend proces.

Met de tool konden de onderzoekers voor het eerst de mechanische eigenschappen van collageenfibrillen in een netwerk meten. Collageen is een biopolymeer dat steigers vormt voor cellen in de huid en bijdraagt ​​aan de elasticiteit van de huid. Wetenschappers zijn er nog steeds niet zeker van hoe de architectuur van een collageennetwerk resulteert in zijn elasticiteit, een belangrijke vraag die beantwoord moet worden voor het rationele ontwerp van kunsthuid.

"Als je een kunstmatige huid wilt bouwen, je moet begrijpen hoe de natuurlijke componenten werken, " zegt Florin. "Je zou dan beter een collageennetwerk kunnen ontwerpen dat fungeert als een steiger die cellen stimuleert om op de juiste manier te groeien."