Onderzoekers van de Universiteit van Tokio hebben een nieuwe microscoop ontwikkeld die in staat is om tegelijkertijd structuren in beeld te brengen over een veertien keer groter intensiteitsbereik dan conventionele microscopen. Cruciaal is dat dit wordt bereikt zonder het gebruik van fluorescerende kleurstoffen of andere labelingsmiddelen, waardoor het uitzonderlijk zacht is voor levende cellen en ideaal is voor observatie op lange termijn. De doorbraak, gepubliceerd in Nature Communications, pakt een fundamentele beperking van de moderne microscopie aan: de wisselwerking tussen het oplossen van grootschalige cellulaire kenmerken en het volgen van individuele deeltjes op nanoschaal.
Het microscopiedilemma
Eeuwenlang heeft microscopie de wetenschappelijke vooruitgang gestimuleerd. Geavanceerde technieken vereisten echter historisch gezien specialisatie. Kwantitatieve fasemicroscopie (QPM) blinkt uit in het in beeld brengen van structuren groter dan 100 nanometer, waardoor een breed beeld van cellen wordt geboden, maar de gevoeligheid ontbreekt om kleinere details te detecteren. Interferometrische verstrooiingsmicroscopie (iSCAT) kan daarentegen afzonderlijke eiwitten en deeltjes op nanoschaal volgen, maar heeft moeite om de uitgebreide cellulaire context vast te leggen die zichtbaar is met QPM.
Deze kloof dwingt onderzoekers tot nu toe te kiezen tussen holistische snapshots en dynamische tracking.
De kloof overbruggen: gelijktijdige lichtmeting
Het onderzoeksteam, geleid door Kohki Horie, Keiichiro Toda, Takuma Nakamura en Takuro Ideguchi, veronderstelde dat het gelijktijdig meten van zowel voorwaarts als achterwaarts verstrooid licht deze beperking zou kunnen overwinnen. Door te analyseren hoe licht vanuit beide richtingen met een monster interageert, wilden ze een breed scala aan afmetingen en bewegingen binnen één beeld onthullen.
“Ik zou graag dynamische processen in levende cellen willen begrijpen met behulp van niet-invasieve methoden”, legt Horie uit, waarmee hij de motivatie achter het werk benadrukt.
Validatie van de microscoop: celdood observeren
Om hun nieuwe microscoop te testen, concentreerde het team zich op een dynamisch proces: celdood. Door één enkel beeld op te nemen dat informatie van zowel voorwaarts als achterwaarts reizend licht codeert, demonstreerden ze het vermogen om zowel de beweging van grotere cellulaire structuren als de bewegingen van kleine deeltjes in de cel te kwantificeren.
“Onze grootste uitdaging”, legt Toda uit, “was het netjes scheiden van twee soorten signalen uit één beeld, terwijl de ruis laag bleef en vermenging werd vermeden.”
Grootte en beweging kwantificeren
De resulterende microscoop legt niet alleen de beweging van structuren over meerdere schalen vast, maar schat ook de grootte en brekingsindex van elk deeltje. Brekingsindex, een maatstaf voor hoe licht buigt wanneer het door een stof gaat, geeft extra inzicht in de samenstelling en eigenschappen van de waargenomen deeltjes.
Dankzij deze gecombineerde mogelijkheid kunnen onderzoekers dynamische veranderingen in levende cellen volgen zonder de artefacten die worden geïntroduceerd door fluorescerende labeling. De uniforme aanpak belooft het onderzoek op het gebied van de farmaceutische industrie, de biotechnologie en andere gebieden die langdurige cellulaire observatie met hoge resolutie vereisen, te versnellen.
Deze ontwikkeling vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van een werkelijk veelzijdig microscopieplatform dat de kloof tussen beeldvorming op micro- en nanoschaal kan overbruggen
