Tehnica de microscopie fără etichete surprinde activitatea celulară în 3D
O echipă de cercetători de la Universitatea din Tokyo a dezvoltat o tehnică de microscopie de mare viteză care captează imagini atât de rapid încât pot fi utilizate pentru a crea „video-uri” ale proceselor dinamice care au loc în interiorul celulelor vii.
Echipa a utilizat lumină de medie infraroșie pe mostre pentru a genera un „semnal fototermic” și apoi a surprins instantanee ale semnăturilor variate ale schimbărilor de temperatură din celulă, emise de diferite molecule. Tehnicile anterioare asemănătoare capturau 0,05 imagini pe secundă, însă noua metodă realizează 19,2 imagini pe secundă. Prin preluarea imaginilor din multiple unghiuri, echipa a putut construi un „video” 3D care arată procesele biologice active în mișcare.
Există multe modalități de a privi în interiorul celulelor și de a observa cum funcționează, se adaptează la schimbări și răspund la tratamente. O astfel de tehnică este microscopie fototermică în infraroșu mediu fără etichete. Aceasta folosește lumina infraroșie medie pentru a vibra legăturile chimice din interiorul moleculelor, fiecare având o frecvență distinctivă. Semnăturile de frecvență diferite pot fi utilizate pentru a crea o hartă a compoziției interne a unei celule, care poate fi apoi vizualizată prin iluminarea acesteia cu lumină vizibilă.
Un avantaj al acestei tehnici este că, spre deosebire de alte metode, nu sunt utilizați coloranți care pot fi toxici pentru mostrele vii, iar prin combinarea imaginilor din unghiuri multiple, poate fi creată o imagine 3D. Totuși, capturarea imaginilor la timpi subsecundari a fost o provocare.
Anterior, tomografia fototermică în infraroșu mediu în trei dimensiuni era limitată la mai puțin de 0,05 imagini pe secundă, în principal din cauza necesității de a media semnalul și de a efectua măsurători secvențiale din unghiuri diferite de iluminare, ceea ce necesita timp considerabil. Totuși, am dezvoltat o nouă tehnică care atinge 19,2 imagini pe secundă, permițându-ne să obținem o imagine tridimensională completă la fiecare 52 de milisecunde, de aproximativ 400 de ori mai repede decât metodele anterioare.
Echipa a depășit bariera de viteză prin utilizarea unui modulator de lumină spațială (un dispozitiv care modelează cu precizie proprietățile luminii, cum ar fi fazele sale ondulatorii, pentru a o direcționa în diferite direcții) pentru a schimba unghiul de iluminare foarte rapid și prin maximizarea raportului semnal-zgomot pentru fiecare fotografie, pentru a o face cât mai clară posibil. Sistemul rezultat se numește tomografie difractivă optică fototermică în infraroșu mediu la rată video (MIP-ODT).
Folosind MIP-ODT, echipa a putut observa picăturile lipidice dintr-o celulă (responsabile pentru reglarea energiei și stocarea lipidelor) și a urmărit cum s-au mișcat în spațiul tridimensional, dezvăluind comportamente de transport care nu ar fi putut fi observate cu ușurință prin imagini 2D.
„Cercetarea noastră transformă această tehnică dintr-o metodă folosită în principal pentru a observa mostre relativ statice într-un instrument capabil să investigheze cantitativ procese biologice rapide în trei dimensiuni”, a declarat Fukushima.
Echipa preconizează aplicații viitoare interesante pentru această nouă tehnică. Una dintre utilizări ar putea fi studiul condensatelor biomoleculare, structuri fără membrană din celule care conțin proteine și acizi nucleici. Comportamentul anormal al acestor condensate a fost legat de tulburări neurodegenerative, astfel că investigarea modului în care acestea cresc și se schimbă ar putea ajuta cercetătorii să dezvolte noi tratamente.
„Următorul nostru pas este să abordăm întrebări biologice fundamentale care nu pot fi explorate cu tehnici convenționale. O forță cheie a imagisticii chimice fără etichete este abilitatea de a oferi informații cantitative despre compoziția chimică a celulelor vii”, a explicat profesorul Takuro Ideguchi. „Prin vizualizarea dinamicii celulare în trei dimensiuni și în timp, ne propunem să avansăm spre o înțelegere cantitativă, bazată pe măsurători, a vieții.”
