Revoluční mikroskop odhaluje živé buňky v nevídaných detailech

Nový mikroskopický přístup odhaluje živé buňky v nebývalých detailech

Výzkumníci ze Stanfordovy univerzity vyvinuli unikátní mikroskopický přístroj, který kombinuje dvě mikroskopické techniky a umožňuje pozorovat struktury živých buněk v reálném čase s dosud nevídaným rozlišením 120 nanometrů. Toto rozlišení je nejvyšší dosažené bez nutnosti použití fluorescenčních značek. Nová technologie, nazvaná Interferometric Image Scanning Microscopy (iISM), umožní vědcům detailně sledovat buněčné struktury v jejich širším kontextu, včetně jejich reakcí na vnější podněty, jako jsou patogeny nebo léky.

Pokrok je popsán v odborném časopise Light: Science and Applications. „Tento nový mikroskop poskytuje fantastický nový pohled do nitra buňky, kde můžeme vidět drobné struktury a mechanismy v buňce, jak se pohybují, mění a vzájemně ovlivňují, aniž bychom museli přidávat fluorescenci pro jejich pozorování,“ uvedl vedoucí autor W. E. Moerner, profesor chemie na Stanfordu. „Je to úžasný pohled do těchto složitých malých buněčných schránek, které pohánějí náš život.“

Schopnosti iISM by mohly vést k průlomům v různých oblastech životních věd, od pochopení mechanismů nemocí a vývoje léků až po zkoumání vztahů mezi rostlinami a mikroby. Ačkoli rozlišení není tak jemné jako u jiných specializovaných mikroskopů, metoda iISM bez značek nabízí mnoho výhod: umožňuje výzkumníkům pozorovat mnoho struktur současně po dlouhou dobu.

Na rozdíl od toho metody využívající fluorescenci k označení struktur obvykle dokážou zvýraznit pouze několik cílových struktur najednou. Fluorescencí označené struktury se mohou časem „vybělit“ nebo opotřebovat. Tyto značky mohou být také obtížně zaváděné a v některých případech mohou měnit chování struktur, které označují.

Mikroskop iISM může také pracovat s podstatně nižším osvětlením než srovnatelné kontrastní metody bez značek, čímž snižuje riziko fotopoškození živých buněk a méně narušuje drobné, citlivé pozorované struktury.

To však neznamená, že nový mikroskop nahradí fluorescenční mikroskopii, která přináší poznatky v oblasti životních věd již desítky let, jak uvedla první autorka Michelle Kueppers, postdoktorandka v Moernerově laboratoři. „Každá metoda má své výhody a nevýhody a věříme v jejich budoucí doplňkové využití,“ řekla Kueppers. „Pokud využijeme silné stránky fluorescence pro molekulární specifičnost a sílu iISM pro kontext a dynamiku bez značek, můžeme skutečně začít řešit otázky, které byly dříve obtížně zodpověditelné.“

Kombinace dvou technik pro vyšší rozlišení

Mikroskop iISM dosahuje vyššího rozlišení a citlivosti kombinací výhod dvou různých mikroskopických metod – kombinace, která svědčí o odbornosti dvou spoluautorů. Moerner, nositel Nobelovy ceny za chemii za svou práci na fluorescenční mikroskopii s vysokým rozlišením, specificky přizval Kueppers na Stanford kvůli její doktorské práci zaměřené na „interferometrickou skenovací mikroskopii“.

Rozptyl je to, co způsobuje, že obloha vypadá modře. Když světlo dopadne na malé částice – jako když sluneční světlo prochází atmosférou a narazí na prach, vodní kapky a další molekuly – odchýlí se od své dráhy a rozptýlí se různými směry. Částice v zemské atmosféře rozptylují krátké vlny modrého světla silněji než červené světlo, takže obloha se lidským očím jeví modrá.

V interferometrickém skenovacím mikroskopu laser osvítí buňku a drobné struktury uvnitř rozptýlí část světla. Druhý laserový paprsek se pak použije k zesílení slabšího rozptýleného světla, čímž se stane dostatečně silným pro detekci a zobrazení malých struktur.

Klíčovým pokrokem iISM je kombinace metody interferometrického rozptylu s adaptovaným konceptem z konfokálních mikroskopů nové generace. Zatímco tradiční konfokální mikroskopy používají clonku a jediný detektor k zaměření na cílové struktury, pokročilé verze těchto mikroskopů používají kamerové maticové detektory, které mohou zachytit mnoho pohledů na stejnou oblast.

Pro iISM použili vědci ze Stanfordu typ maticového detektoru, který umožňuje zachytit více světla než model s clonkou a jediným detektorem. To poskytuje zvýšenou hloubku a přesnost. Funguje podobně jako způsob, jakým dvě lidské oči přijímají informace, aby rozlišily popředí od pozadí – iISM však používá nejen dvě „oči“, ale desítky až stovky pohledů z maticového detektoru. Vědci poté vyvinuli metodu pro kombinaci těchto měření do ostřejších obrazů s vyšším kontrastem.

Výsledkem je mikroskop bez značek schopný rozlišení přibližně 120 nanometrů, který využívá méně laserového výkonu a zachovává rychlost zobrazování – což znamená, že výzkumníci mohou pozorovat živé buňky déle a šetrněji.

Budoucí aplikace a dostupnost

Moerner a Kueppers nyní pracují na dalším vylepšení této technologie a jejím zpřístupnění dalším vědcům. Již zahájili tři spolupráce s dalšími výzkumníky ze Stanfordu. Jedna z nich využívá nový mikroskop k pozorování interakcí mezi rostlinnými buňkami, houbami a bakteriemi v reálném čase. Další spolupráce využívá iISM ke sledování toho, jak buňka přijímá protirakovinný lék, a třetí plánovaný projekt se zaměří na to, jak červené krvinky mění tvar při setkání s malárií.

„Toto není okrajová technika,“ řekla Kueppers. „Má široké uplatnění a doufáme, že komunitě životních věd bude dobře sloužit a povede k mnoha novým objevům.“

Co si z toho odnést

Vývoj mikroskopu iISM představuje významný krok vpřed v našem schopnosti pozorovat živé buňky. Tato technologie umožňuje vědcům nahlédnout do buněčných procesů s nebývalou přesností a bez nutnosti narušovat buňky značkami. To otevírá nové možnosti pro výzkum nemocí, vývoj léků a hlubší pochopení základních životních procesů.