Het in beeld brengen van zeer kleine materialen vereist niet alleen grote vaardigheid van de microscopist, maar ook geweldige instrumenten en technieken. Voor een verfijnde microscopische kijk op biologische materialen, de uitdagingen omvatten het verkrijgen van een beeld dat vrij is van "ruis, " de interferentie die kan worden veroorzaakt door een aantal items, inclusief de omgeving van een item. Etiketten, kleurstoffen, of vlekken die worden toegevoegd om het item beter te kunnen zien, kunnen ook problemen opleveren, omdat ze het item dat moet worden gescand op onverwachte manieren kunnen aantasten, waarbij ze biologische materialen beschadigen of zelfs doden.

Kijken naar microtubuli is een interessant voorbeeld. De holle buisvormige structuur dient als een ruggengraat van cellen en helpt materialen in de cel te transporteren. Slecht functionerende microtubuli zijn in verband gebracht met verschillende ziekten, waaronder kanker en de ziekte van Alzheimer.

Begrijpen hoe microtubuli functioneren, zou een belangrijke stap kunnen zijn in het begrijpen van ziekteprogressie. Echter, het bestuderen van een enkele dynamische microtubulus, met een diameter van 24 nanometer, en tot 10 micron lang, is geen gemakkelijke opgave.

Onderzoekers van het Quantitative Light Imaging Laboratory van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de Universiteit van Illinois hebben labelvrije ruimtelijke lichtinterferentiemicroscopie (SLIM) en computerverwerking kunnen gebruiken om de microtubuli in een test in beeld te brengen. De studie, "Labelvrije beeldvorming van Single Microtubule Dynamics met behulp van ruimtelijke lichtinterferentiemicroscopie, " is onlangs gepubliceerd in ACS Nano .

Het kunnen zien van de microtubuli zonder het gebruik van kleurstoffen of vlekken is een grote bijdrage.

"Het labelvrije aspect is naar mijn mening de belangrijkste doorbraak, " zei Gabriël Popescu, universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek, en lid van Beckman's Bioimaging Science and Technology Group. Popescu is de hoofdauteur van het onderzoek.

"Er zijn andere pogingen gedaan om dit label-vrij te maken, het is een zeer belangrijke klasse van uitdagingen. De huidige technieken leveren kleinere gezichtsvelden op, en het beeldcontrast is niet zo goed."

Door te meten hoeveel licht door het monster wordt vertraagd op alle punten in het gezichtsveld, de onderzoekers kunnen de optische padlengtekaart voor het monster vinden. Deze optische padlengte - of fase-informatie - heeft betrekking op de brekingsindex en dikte van een monster, waardoor gedetailleerde studies over celstructuur en -dynamiek mogelijk zijn.

"Het instrument zorgt voor een vervaging van het beeld die veel groter is dan de grootte van de microtubulus, " legt Popescu uit. "Dus het is alsof het de waarden van die fasevertraging uitsmeert. Maar aangezien we ons systeem heel goed, we kunnen er een back-up van maken en een effectieve indexwaarde voor de microtubuli bedenken, welke is correct."

De gebruikte numerieke verwerking zorgt niet alleen voor de gevoeligheid om de buisjes te zien, maar wordt ook gebruikt om lichtverstrooiing te meten.

"Een belangrijk natuurkundig punt is dat als je eenmaal zowel de intensiteit als de fase van het licht kent, dan kun je die informatie numeriek verwerken en het licht virtueel overal in de ruimte verspreiden, inclusief in een vlak ver weg van de microtubulus, om het verstrooide licht te bestuderen, ' zei Popescu.

Eerdere pogingen om de minuscule structuren in beeld te brengen, hebben gebruik gemaakt van immunofluorescentie, het injecteren van antilichamen in fluorescerende kleurstoffen om de cel duidelijk te zien zoals deze functioneert. Echter, de fluorescentie kan de celfunctie beïnvloeden en de tijdsduur dat de cel kan worden afgebeeld.

"We hebben ze heel lang in beeld gebracht, niet twee of drie minuten, maar meer als acht uur, " zei Michail Kandel, een doctoraatsstudent in elektrische en computertechniek en hoofdauteur van het onderzoek. "Mensen zijn geïnteresseerd in de stofwisseling van de eiwitten die op de microtubuli lopen en we hebben laten zien hoe je de vertraging van deze eiwitten kunt zien. wat gelijk staat aan het monitoren van het verbruik van hun brandstofbron."

"Je zou mogelijk de consumptie van ATP en de beweeglijkheidskenmerken van de eiwitten kunnen achterhalen, die erg interessant zijn."

De Beckman-onderzoekers werkten samen met Paul Selvin, hoogleraar natuurkunde.

"Dit kwam net uit een discussie met de groep van Paul Selvin, die al lange tijd microtubuli bestuderen met behulp van traditionele fluorescentiemethoden, " zei Popescu. "Mikhail kwam in contact met zijn studenten en ze zeiden:Laten we het proberen. Het is een grote verbetering om ze te zien met andere soorten fluorescentie, omdat je ze in principe voor altijd in beeld kunt brengen."

"Mijn groep is geïnteresseerd in hoe eiwitten op en rond microtubuli bewegen, " zei Selvin, een van de auteurs van de studie. "Deze nieuwe techniek stelt ons niet alleen in staat om een ​​idee te krijgen van hoe de cellen in de loop van de tijd zullen functioneren, maar verhoogt ook de mogelijkheid van in vivo beeldvorming van cellen."

SLIM is een commercieel vervaardigd product dat past op om elke microscoop te upgraden, zeggen de onderzoekers. Hierdoor kunnen biologen andere microscopietechnieken gebruiken, inclusief fluorescentie, naast SLIM. Het SLIM-product is verkrijgbaar via Phi Optics, een bedrijf dat Popescu heeft opgericht.

"Een van de grootste uitdagingen in interferometrie is gevoeligheid, die sterk wordt beïnvloed door omgevingslawaai, bijvoorbeeld, trillingen of luchtschommelingen. Maar met de bijzondere stabiele geometrie die in SLIM wordt gebruikt, we kunnen een ongelooflijke gevoeligheid bereiken in fracties van nanometers, ' zei Popescu.

De onderzoekers zijn van plan de grenzen van beeldvormende cellen te verleggen, hopelijk beeldvorming van microtubuli in levende cellen.

"Als het ons lukt om dit in een levende cel te duwen, dat zou een echte doorbraak zijn, " zei Popescu. "We voorzien grote uitdagingen vanwege de achtergrond die in de cellen bestaat. Aangemoedigd door deze resultaten, we denken dat we ooit zo'n gevoeligheid kunnen hebben om faseverschuivingen van afzonderlijke moleculen te zien.

"We zijn er nog niet, maar dromen mag."