Ny billedteknik kigger ind i levende celler

For at gennemgå billedbehandling i høj opløsning, celler skal ofte skæres og skæres i tern, dehydreret, malet med giftige pletter, eller indlejret i harpiks. For celler, resultatet er en sikker død.

Men hvis forskere kun kan se de døde cellers indre funktion, de ser kun en del af historien. De kan ikke overvåge levende cellers dynamiske realtidsprocesser, såsom metabolske reaktioner eller reaktioner på sygdomme eller behandlinger.

"Subcellulære komponenter og strukturer har en dybtgående indflydelse på adfærden i det komplekse cellulære maskineri og systembiologi, "sagde Northwestern Universitys Gajendra Shekhawat." Dog, at opklare strukturer og komponenter inde i cellen er meget udfordrende, fordi de er så skrøbelige. "

Nu Shekhawat og Vinayak P. Dravid, Abraham Harris professor i materialevidenskab og teknik ved Northwestern Engineering, har udviklet et nyt ikke-invasivt billeddannelsessystem, der gør det muligt at se levende cellers subcellulære arkitektur i nanometer-opløsning. Kaldes ultralydsbioprobe, teknikken kombinerer ultralydsbølger med atomkraftmikroskopi, interagerer med levende celler for at bestemme ændringerne i deres mekaniske adfærd.

Understøttet af National Science Foundation (NSF) og National Heart, Lunge, og Blood Institute, forskningen blev for nylig offentliggjort i Videnskab fremskridt . Shekhawat og Dravid fungerede som papirets medsvarende forfattere. Shekhawat, en forskningslektor i materialevidenskab og teknik, var også den første forfatter til papiret. Forskningen blev afsluttet i Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental (NUANCE) Center. NUANCE er hovedfaciliteten i det NSF-understøttede National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI) -program, som har hovedkontor i Northwestern og kaldes Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental (SHyNE) ressource.

På trods af de seneste fremskridt inden for billeddannelse, der er i øjeblikket ingen enkelt metode, der giver billeder i høj opløsning og høj følsomhed af levende subcellulære strukturer. Fluorescerende og konfokal mikroskopi, som er traditionelle metoder til overvågning af de biologiske interaktioner inde i celler, lider af dårlig rumlig opløsning og kræver invasive farvestoffer eller etiketter for at forbedre kontrast og fremhæve strukturer i biologiske væv. Lys- og akustisk bølgebilledbehandling kan ikke se strukturer mindre end et par hundrede nanometer. Scanning sonde mikroskopi kan give meget høj rumlig opløsning, men kan kun identificere overfladestrukturer frem for at kigge inde i en celle. Og mens elektronmikroskopi kan se fine detaljer på subcellulært niveau, det er en destruktiv teknik, der ikke kan bruges til levende biologiske væv.

"Mange vejspærringer har eksisteret, sagde Dravid, der leder NUANCE -centret og SHyNE -ressourcen. "Karakterisering af den komplekse dynamik i biologiske processer, især signalveje ved nanoskalaopløsning, har været en udfordring. "

Shekhawat og Dravids ultralydsbioprobe, imidlertid, omgår disse spørgsmål. Dens ultralyd bølger ikke-invasivt billede dybt begravede intracellulære funktioner. Og dens atomkraftmikroskopisonde giver høj følsomhed og mekanisk kontrast mellem de spredte ultralydsbølger. Resultatet? Ikke-destruktiv, bemærkelsesværdigt høj kontrast, nanoskala billeder af strukturer og komponenter dybt inde i levende væv og celler.

"Ved hjælp af denne ikke-invasive tilgang, vi kan overvåge billeddannelse i realtid af de nanomekaniske ændringer i komplekse biologiske systemer, "Shekhawat sagde." Dette kan give spor til tidlig diagnostik og potentielle veje til udvikling af terapeutiske strategier. "

Næste, teamet planlægger at udvide sin teknik til forskellige biomedicinske applikationer, såsom nanomekanikken i bløde væv såsom hud, emaljer, og knogler til at undersøge deres tredimensionelle arkitektur ned til nanoskala rumlig opløsning.

"En betydelig variation i cellulære nanostrukturer og mekanik kan direkte påvirkes af en celles kræftforhold, "Sagde Dravid." Så ultralydsbioprobe kunne også udvide vores grundlæggende forståelse af nanomekanikken, der spiller i kræftceller. "