211service.com
Kijken naar levende cellen met een resolutie op nanoschaal
Met een 3D-lichtmicroscoop met superhoge resolutie, ontwikkeld door het Max Planck Instituut voor Biofysische Chemie, kunnen biologen de werking van de kleinste organellen en zelfs individuele clusters van eiwitten in levende cellen bekijken. De nieuwe technologie, die een resolutie van 40 nanometer heeft, overwint enkele belangrijke beperkingen in bestaande microscopietechnieken en zou belangrijke toepassingen kunnen hebben bij het ontleden van precies hoe medicijnen cellen beïnvloeden.
Mobiele krachtpatser: Deze beelden van een cellulair organel, het mitochondrion genaamd, zijn gemaakt met de 3D-lichtmicroscoop met de hoogste resolutie die tot nu toe is ontwikkeld. Onderzoekers van het Max Planck Instituut in Duitsland hebben de microscoop gebruikt om individuele, fluorescent gelabelde eiwitclusters in de mitochondria van levende cellen (hieronder) af te beelden en deze te combineren tot 3D-beelden (hierboven).
[Het is] een krachttoer - een grote prestatie, zegt John Sadat , een professor in biochemie en biofysica aan de Universiteit van Californië, San Francisco. Met behulp van de Max Planck-microscoop en anderen die de resolutie op nanoschaal pushen, kunnen biologen op een ongekend detailniveau zien hoe levende cellen werken. Het wordt een revolutie voor de biologie, zegt Sedat, die niet bij het onderzoek betrokken was.
In de afgelopen decennia hebben biologen grote vooruitgang geboekt bij het begrijpen van de moleculaire samenstelling van cellen, maar hoe deze delen samen functioneren tot functionerende cellen en weefsels is nog steeds een mysterie. Met behulp van lichtmicroscopen kunnen biologen levende cellen met een relatief lage resolutie bekijken; met behulp van elektronenmicroscopie kunnen ze dode cellen zorgvuldig ontleden.
Met de nieuwe microscoop kun je levende cellen optisch ontleden, zegt Stefan Hell , hoofd van de afdeling nanobiophotonics van het Planck Institute in Göttingen, Duitsland, die de ontwikkeling van het instrument leidde.
Onderzoekers gebruikten de nieuwe microscoop om de eerste superhoge resolutie lichtbeelden te maken van minuscule celorganellen, mitochondriën genaamd, die cruciaal zijn voor het celmetabolisme en een rol spelen bij het verouderingsproces. Een mogelijke toepassing is om te visualiseren hoe bepaalde kankermedicijnen de mitochondriën beïnvloeden, waarvan de innerlijke werking onzichtbaar was voor 3D-lichtmicroscopie. Het was moeilijk omdat je het niet kon zien moleculen die aan elkaar binden, waardoor het onmogelijk is om de oorzaak van de effecten van deze medicijnen definitief te noemen, zegt Maryann Fitzmaurice , een patholoog aan de Case Western Reserve University, in Cleveland.
Driedimensionale lichtmicroscopen werken door een gefocusseerde lichtvlek door cellen in drie vlakken te scannen. De grootte van deze vlek beperkt de resolutie van de microscoop - er is niets kleiner dan de grootte van de vlek te zien. Vanwege een fundamentele eigenschap van licht, de diffractielimiet genaamd, is het onmogelijk om licht te focussen tot een grootte kleiner dan de helft van de golflengte met conventionele lenzen. Veel delen van de cel zijn kleiner dan de helft van de golflengte van het licht dat voor deze technieken wordt gebruikt. Andere onderzoekers hebben de diffractielimiet in twee dimensies omzeild, of met technieken die alleen werken met een bepaalde golflengte van licht.
De Max Planck-groep ontwikkelde een manier om de fundamentele beperkingen van licht te omzeilen door twee bundels te gebruiken in plaats van één. De eerste lichtstraal speelt dezelfde rol – en heeft dezelfde vlekgrootte – als licht in een conventionele microscoop. Het beweegt door de onderzochte cel en prikkelt fluorescent gelabelde moleculen in de cel om te fluoresceren. De tweede straal vormt de eerste, zegt Hell, en remt de fluorescentie die wordt gecreëerd door de randen van de eerste straal. Dat reduceert de effectieve spotgrootte tot 40 tot 45 nanometer in diameter.
Fitzmaurice zegt dat microscopie met moleculaire resolutie de patiëntenzorg langs de lijn zal verbeteren. De focus lag op moleculaire defecten bij ziekten, maar om ze echt te begrijpen, moet je ze in de cel zien, zegt ze. Ze gelooft dat microscopie met resolutie op nanoschaal ook een belangrijke rol zal spelen bij het bevorderen van gepersonaliseerde geneeskunde. Wetenschappers hebben bijvoorbeeld specifieke biomarkers geïdentificeerd die de prognose van een kankerpatiënt helpen voorspellen, maar niet alle patiënten met een bepaalde biomarker reageren op dezelfde manier op dezelfde behandelingen. Met behulp van Hell's nieuwe microscoop en andere die nog volgen, kunnen biologen het basisonderzoek doen dat nodig is om te begrijpen hoe eiwitten en andere moleculen op elkaar inwerken en, uiteindelijk, om preciezere voorspellers van ziekte te identificeren.
En in de toekomst kunnen microscopen met een resolutie op nanoschaal worden gebruikt in ziekenhuislaboratoria om echt gepersonaliseerde geneeskunde uit te voeren. Sedat zegt dat het volgende niveau voor microscopie met resolutie op nanoschaal is om het te ontwikkelen voor het afbeelden van niet alleen afzonderlijke cellen, maar ook weefsels zoals chirurgische biopsieën. Ik geloof dat we op de afgrond staan van een aantal belangrijke nieuwe richtingen voor lichtmicroscopie, zegt hij.