Nyt mikroskop fanger detaljerede 3D-film af celler dybt inde i levende systemer

Vores vindue ind i mobilverdenen blev bare meget klarere.

Ved at kombinere to billedteknologier, forskere kan nu se i en hidtil uset 3D-detalje, når kræftceller kravler, spinalnervekredsløb leder op, og immunceller krydser gennem en zebrafiskes indre øre.

Fysiker Eric Betzig, en gruppeleder på Howard Hughes Medical Institute's Janelia Research Campus, og kolleger rapporterer arbejdet 19. april, 2018, i journalen Videnskab .

Forskere har afbildet levende celler med mikroskoper i hundredvis af år, men de skarpeste visninger er kommet fra celler isoleret på glasskred. De store grupper af celler inde i hele organismer krypter lys som en pose fuld af kugler, Siger Betzig. "Dette rejser den generende tvivl om, at vi ikke ser celler i deres oprindelige tilstand, lykkeligt indesluttet i den organisme, hvori de udviklede sig. "

Selv når man ser celler individuelt, de mikroskoper, der oftest bruges til at studere cellulære indre funktioner, er normalt for langsomme til at følge handlingen i 3D. Disse mikroskoper bader celler med lys tusinder til millioner af gange mere intense end ørkensolen, Siger Betzig. "Dette bidrager også til vores frygt for, at vi ikke ser celler i deres naturlige, ustresset form.

"Det siges ofte, at at se er at tro, men når det kommer til cellebiologi, Jeg synes, at det mere passende spørgsmål er, 'Hvornår kan vi tro det, vi ser?' "Tilføjer han.

For at imødekomme disse udfordringer, Betzig og hans team kombinerede to mikroskopiteknologier, de først rapporterede i 2014, samme år delte han Nobelprisen i kemi. For at fjerne lyset fra celler begravet i organismer, forskerne vendte sig til adaptiv optik - den samme teknologi, som astronomer brugte til at give klare udsigter til fjerne himmellegemer gennem Jordens turbulente atmosfære. Derefter, til at forestille den interne koreografi af disse celler hurtigt, men forsigtigt i 3D, holdet brugte gitterlysarkmikroskopi. Denne teknologi fejer hurtigt og gentagne gange et ultratyndt lysark gennem cellen, mens du får en række 2-D-billeder, opbygning af en 3D-film med høj opløsning af subcellulær dynamik.

Det nye mikroskop er i det væsentlige tre mikroskoper i ét:et adaptivt optisk system til at opretholde den tynde belysning af et gitterlysark, når det trænger ind i en organisme, og et andet adaptivt optisk system til at skabe forvrængningsfrie billeder, når man ser ned på det oplyste plan ovenfra. Ved at skinne en laser gennem begge veje, forskerne skaber et lyst lyspunkt i den region, de ønsker at forestille sig. Forvrængningerne i billedet af denne "guidestjerne" fortæller teamet karakteren af ​​de optiske afvigelser langs begge veje. Forskerne kan rette disse forvrængninger ved at anvende lige, men modsatte forvrængninger på en pixeleret lysmodulator på excitationssiden, og et deformerbart spejl ved registrering. Over store mængder, forvrængningerne ændres, når lyset krydser forskellige væv. I dette tilfælde, holdet samler store 3D-billeder fra en række undervolumener, hver med sine egne uafhængige excitation- og detektionskorrektioner.

Resultaterne giver et elektrificerende nyt blik på biologi, og afsløre en livlig metropol i aktion på subcellulært niveau. I en film fra mikroskopet, en brændende orange immuncelle vrikker tosset gennem en zebrafisk øre, mens han øser blå sukkerpartikler op undervejs. I en anden, en kræftcelle sporer klæbrige vedhæng, når den ruller gennem et blodkar og forsøger at få køb på karvæggen.

Kompleksiteten i 3D-flercellede miljøer kan være overvældende, Betzig siger, men klarheden i hans teams billeddannelse tillader dem at beregningsmæssigt "eksplodere" de enkelte celler i væv fra hinanden for at fokusere på dynamikken inden for en bestemt, såsom ombygning af indre organeller under celledeling.

Alle disse detaljer er svære at se uden adaptiv optik, Siger Betzig. "Det er simpelthen for dumt." Efter hans opfattelse, adaptiv optik er et af de vigtigste områder inden for mikroskopiforskning i dag, og gitterets lysarkmikroskop, der udmærker sig ved 3D-billeddannelse, er den perfekte platform til at vise sin magt. Adaptiv optik har ikke rigtig taget fart endnu, han siger, fordi teknologien har været kompliceret, dyrt, og indtil nu, ikke klart indsatsen værd. Men inden for 10 år, Betzig forudser, biologer overalt vil være om bord.

Det næste store skridt er at gøre denne teknologi overkommelig og brugervenlig. "Tekniske demonstrationer og publikationer udgør ikke en bakke med bønner. Den eneste måling, som et mikroskop skal bedømmes ud fra, er, hvor mange mennesker der bruger det, og betydningen af, hvad de opdager med det, "Siger Betzig.

Det nuværende mikroskop fylder et 10 fod langt bord. "Det er lidt af et Frankensteins monster lige nu, "siger Betzig, der flytter til University of California, Berkeley, i efteråret. Hans team arbejder på en næste generations version, der skal passe på et lille skrivebord til en pris inden for rækkevidde af individuelle laboratorier. Det første sådant instrument vil gå til Janelias Advanced Imaging Center, hvor forskere fra hele verden kan ansøge om at bruge det. Planer om at oprette deres egne kopier vil også blive gjort frit tilgængelige. Ultimativt, Betzig håber, at den adaptive optiske version af gittermikroskopet kommercialiseres, som var basisgitterinstrumentet før det. Det kunne bringe adaptiv optik ind i mainstream.

"Hvis du virkelig vil forstå cellen in vivo, og billede det med den mulige kvalitet in vitro, dette er entréprisen, " han siger.