Nieuwe beeldvormingsmethode geeft een levendig beeld van hoe cellen functioneren

Door twee methoden van microscopie te combineren, kunnen EPFL-onderzoekers tegelijkertijd zien wat er in een cel en op het membraan gebeurt, wat een ongekend inzicht geeft in de cellulaire processen die plaatsvinden tijdens bijvoorbeeld infectie.

Cellen zijn het basisbestanddeel van levende organismen en herbergen een aantal complexe biologische verschijnselen. Onderzoekers moeten deze fenomenen in detail kunnen bestuderen om specifieke soorten aandoeningen en ziekten te begrijpen en vervolgens effectieve behandelingen te ontwikkelen. Maar houd het leven effectief in de gaten cellen Op micro- of nanoschaal is het nog een uitdaging. Door twee verschillende microscopiemethoden te combineren, hebben EPFL-onderzoekers van twee verschillende laboratoria een systeem ontwikkeld dat kan worden gebruikt om levende cellen in actie te zien met een ongeëvenaarde nauwkeurigheid. Hun bevindingen verschijnen in twee artikelen: een gepubliceerd in Natuurcommunicatie in juli en de andere is vandaag gepubliceerd in ACS nano.

“Momenteel beschikbare methoden brengen verschillende technische uitdagingen met zich mee die moeten worden gecontroleerd levende cellen Op dit granulaire niveau, “zegt George Vantner, hoofd van het EPFL Laboratory of Biomaterials and Nanotechnology (LBNI).” Technieken zoals Elektronen microscoop Het maakt een ongeëvenaarde precisie van het celoppervlak op nanoschaal mogelijk, maar vereist dat monsters onder vacuüm worden geplaatst en elektronen worden gebombardeerd. Organismen kunnen dit soort behandelingen eenvoudigweg niet overleven. Een andere veelgebruikte methode is fluorescentiemicroscopie. Hoewel je hiermee monsters kunt observeren zonder ze te vernietigen, is het moeilijk om voldoende resolutie te krijgen om het 3D-oppervlak van een cel op te lossen. Daarnaast kan de benodigde dosis fotonen celschade veroorzaken.”

Daarom besloten de EPFL-onderzoekers om twee complementaire microscopen te combineren om het celoppervlak en de moleculaire activiteit binnenin te observeren, die minimaal invasief zijn voor levende cellen. Ze hebben stochastische optische oscillatiebeeldvorming (SOFI) gecombineerd, die kan worden gebruikt om doelmoleculen en verschijnselen in cellen te bekijken, met Microscopisch onderzoek van de sonde (of, meer specifiek, ionengeleidingsmicroscopie – SICM). Sondemicroscopie omvat over het algemeen het rechtstreeks aanraken van een celmonster met de punt van een sonde om het oppervlak te onthullen en de topografie in kaart te brengen. Het mechanische contact tussen het monster en de punt is echter schadelijk voor de waarneming van levende cellen omdat het de oorspronkelijke staat van de cellen verstoort. Daarom ontwikkelde het EPFL-team een ​​microscoop waarin de fysieke sonde wordt vervangen door een glazen nanogat dat de stroom van ionen meet om het oppervlak van de cel zonder contact te detecteren.

Het draait allemaal om interactie

De combinatie van deze twee methoden maakt de weg vrij voor ongekende wetenschappelijke waarnemingen. Terwijl fluorescentie microscoop Door onderzoekers een kijkje te geven in individuele cellen, stelt ionische geleidbaarheidsscanmicroscopie hen in staat om 3D-topografische afbeeldingen van celmembranen te maken. EPFL stelt onderzoekers dus in staat om de binnenste en buitenste delen van cellen tegelijkertijd te bekijken, waardoor ze waardevol inzicht krijgen in de verbanden tussen verschijnselen die gelijktijdig in deze twee verschijnselen optreden. verschillende plaatsen.

“Het celmembraan is waar het interageert met zijn omgeving”, zegt Samuel Mendes Leitão, Ph.D. Een student van LBNI ontwikkelde de SICM-microscoop. “Het is waar veel biologische processen en morfologische veranderingen plaatsvinden, zoals tijdens celinfectie. Ons systeem stelt onderzoekers in staat om moleculaire arrangementen in de cel te analyseren en in kaart te brengen hoe deze zich verhouden tot de membraandynamiek. Bovendien kunnen we deze dynamiek nu tot in detail volgen voor tijdschalen van minder dan een seconde Het vermogen om gedurende langere perioden continu beelden op nanoschaal te maken, is een van de grootste uitdagingen in een levende cel microscopie, omdat cellen erg gevoelig zijn voor kleine verstoringen.”

Verbeterde beeldkwaliteit

Vitotas Navikas, Ph.D. Een student van EPFL’s Laboratory for Nanobiology (LBEN) ontwikkelde de optische componenten van het systeem: “Een ander voordeel van het combineren van de twee methoden is dat het de beeldkwaliteit ongelooflijk verbetert. We kunnen nu kijken cellulaire processen Veel nauwkeuriger.

Het EPFL-team is van mening dat hun systeem, dat kan worden gebruikt om fenomenen zoals celbeweging, differentiatie en cel-celcommunicatie waar te nemen, veel nieuwe onderzoeksgebieden opent. Het kan erg nuttig zijn in infectiebiologie, immunologie en neurowetenschappen – gebieden waar het belangrijk is om te begrijpen hoe een cel in realtime reageert op een externe stimulus.

Deze studie is ook een goed voorbeeld van het soort doorbraak dat kan plaatsvinden wanneer onderzoekers van twee verschillende laboratoria bij EPFL hun expertise verbinden en combineren om een ​​gemeenschappelijk doel na te streven.