Sinds Robert Hooke's eerste beschrijving van een cel in Micrographia 350 jaar geleden, microscopie heeft een belangrijke rol gespeeld bij het begrijpen van de regels van het leven.

Echter, het kleinste oplosbare kenmerk, de resolutie, wordt beperkt door het golfkarakter van licht. Deze eeuwenoude barrière heeft het begrip van cellulaire functies beperkt, interacties en dynamiek, vooral op submicron tot nanometerschaal.

Superresolutie fluorescentiemicroscopie overwint deze fundamentele limiet, biedt tot tienvoudige verbetering in resolutie, en stelt wetenschappers in staat om de innerlijke werking van cellen en biomoleculen te visualiseren met een ongekende ruimtelijke resolutie.

Een dergelijk oplossend vermogen wordt belemmerd, echter, bij het observeren in hele cel- of weefselmonsters, zoals degene die vaak worden geanalyseerd tijdens de studies van de kanker of de hersenen. Lichtsignalen, uitgezonden door moleculen in een monster, reizen met verschillende snelheden door verschillende delen van cel- of weefselstructuren en resulteren in aberraties, wat het imago verslechtert.

Nutsvoorzieningen, Purdue University-onderzoekers hebben een nieuwe technologie ontwikkeld om deze uitdaging te overwinnen.

"Onze technologie stelt ons in staat om golffrontvervormingen te meten die door het monster worden veroorzaakt, ofwel een cel of een weefsel, rechtstreeks van de signalen die worden gegenereerd door afzonderlijke moleculen - kleine lichtbronnen die zijn bevestigd aan de cellulaire structuren van belang, " zei Fang Huang, een assistent-professor biomedische technologie in Purdue's College of Engineering. "Door de veroorzaakte vervorming te kennen, we kunnen de posities van individuele moleculen met hoge precisie en nauwkeurigheid lokaliseren. We verkrijgen duizenden tot miljoenen coördinaten van individuele moleculen in een cel- of weefselvolume en gebruiken deze coördinaten om de nanoschaalarchitecturen van specimenbestanddelen te onthullen."

De technologie van het Purdue-team is onlangs gepubliceerd in: Natuurmethoden .

"Tijdens driedimensionale beeldvorming met superresolutie, we registreren duizenden tot miljoenen emissiepatronen van enkele fluorescerende moleculen, " zei Fan Xu, een postdoctoraal medewerker in het lab van Huang en een co-eerste auteur van de publicatie. "Deze emissiepatronen kunnen worden beschouwd als willekeurige waarnemingen op verschillende axiale posities, bemonsterd uit de onderliggende 3D-puntspreidingsfunctie die de vormen van deze emissiepatronen op verschillende diepten beschrijft, die we willen ophalen. Onze technologie gebruikt twee stappen:toewijzing en update, om iteratief de golffrontvervorming en de 3D-responsen op te halen uit de geregistreerde dataset met één molecuul die emissiepatronen van moleculen op willekeurige locaties bevat."

De Purdue-technologie maakt het mogelijk om de posities van biomoleculen tot op enkele nanometers nauwkeurig te vinden in hele cellen en weefsels en daarom, het oplossen van cellulaire en weefselarchitecturen met een hoge resolutie en betrouwbaarheid.

"Deze vooruitgang breidt de routinematige toepasbaarheid van superresolutiemicroscopie uit van geselecteerde cellulaire doelen in de buurt van dekglaasjes naar intra- en extracellulaire doelen diep in weefsels, " zei Donghan Ma, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Huang en een co-eerste auteur van de publicatie. "Deze hernieuwde visualisatiecapaciteit kan zorgen voor een beter begrip van neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer, en vele andere ziekten die de hersenen en verschillende delen van het lichaam aantasten."

De National Institutes of Health hebben het onderzoek in belangrijke mate ondersteund.

Andere leden van het onderzoeksteam zijn onder meer Gary Landreth, een professor van de Indiana University's School of Medicine; Sara Calvé, een universitair hoofddocent biomedische technologie aan het Purdue's College of Engineering (momenteel een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Colorado Boulder); Peng-yin, een professor van de Harvard Medical School; en Alexander Chubykin, een assistent-professor biologische wetenschappen aan Purdue. De volledige lijst van auteurs is te vinden in: Natuurmethoden .

"Deze technische vooruitgang is verrassend en zal de precisie waarmee we de pathologische kenmerken van de ziekte van Alzheimer evalueren, fundamenteel veranderen. " zei Landreth. "We zijn in staat om steeds kleinere objecten en hun interacties met elkaar te zien, wat helpt bij het onthullen van structuurcomplexiteiten die we niet eerder hebben gewaardeerd."

Calve zei dat de technologie een stap voorwaarts is in regeneratieve therapieën om herstel in het lichaam te helpen bevorderen.

"Deze ontwikkeling is van cruciaal belang voor het begrijpen van weefselbiologie en het kunnen visualiseren van structurele veranderingen, ' zei Calve.

Chubykin, wiens lab zich richt op autisme en ziekten die de hersenen aantasten, zei dat de beeldvormingstechnologie met hoge resolutie een nieuwe methode biedt om stoornissen in de hersenen te begrijpen.

"Dit is een enorme doorbraak op het gebied van functionele en structurele analyses, "Zei Chubykin. "We kunnen een veel gedetailleerder beeld van de hersenen zien en zelfs specifieke neuronen markeren met genetische hulpmiddelen voor verder onderzoek."

Het team werkte samen met het Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization om de technologie te patenteren. Het kantoor is onlangs verhuisd naar het Convergence Centre for Innovation and Collaboration in Discovery Park District, grenzend aan de Purdu-campus.