Manipulering af cellenetværk med lys – nye grænser inden for optisk mikroskopi

Et nyt optisk mikroskopsystem kaldet stimulation og billeddannelsesbaseret funktionel optisk mikroskopi (SIFOM) kan stimulere flere celler samtidigt via en holografisk metode og overvåge celleaktivitet efter stimuleringen ved hjælp af 3D-målinger baseret på fluorescensholografi. Dette system har potentielle anvendelser som et redskab til rekonstruktion af tabte nervebaner, opbygning af kunstige neurale netværk, og udvikling af fødevareressourcer. Konceptet for SIFOM og gennemførlighedskontrollen blev offentliggjort den 1. november i Optik bogstaver .

Der er mange optiske teknikker, herunder fasekontrastmikroskopi, fluorescensmikroskopi, multi-fotonmikroskopi og superopløst fluorescensmikroskopi. Nylige gennembrud inden for optik -teknologi har gjort det muligt for forskere at visualisere den ultrafine struktur af celler og deres funktioner in vitro og in vivo. Forskere kan nu bruge lys til at manipulere celleaktivitet, en teknik kaldet optogenetik, ved hjælp af channelrhodopsin eller andre beslægtede proteiner (se figur 1). Imidlertid, den nuværende optogenetikbaserede lysstimulering, der bruges til at manipulere celleaktivitet, er for enkel, ved hjælp af ensartet eksponering med LED eller gennem optiske fibre så kun et lavt niveau af cellemanipulation er muligt.

Denne undersøgelse foreslår et nyt optisk mikroskopsystem kaldet SIFOM (figur 2). SIFOM består af to underfunktioner:3-D observation af celler og 3-D stimulering af celler baseret på digital holografi. Dette er det første mikroskop, der er udstyret med teknologi, der samtidigt kan udføre 3D-observation og stimulering, og det har potentielle applikationer som et banebrydende værktøj inden for biovidenskaben. Brug af scanningsfri fotografering med høj hastighed, denne teknologi gør det muligt for os at få information om flere hændelser, der finder sted i 3D-rummet inden for en meget kort tidsramme.

Som et verifikationseksperiment, teamet brugte lungekræftceller og fluorescerende perler på cirka 10 mikrometer i størrelse. De optog et fluorescerende hologram i en defokuseret tilstand fra fokalpositionen i dybderetningen og opnåede rekonstruktion af både cellerne og de fluorescerende perler (figur 3).

Under verifikationsforsøget, de var i stand til at observere lysstimulering for maksimalt fem celler ad gangen. Det maksimale antal stimulerede celler bestemmes hovedsageligt, fordi der er utilstrækkelig lysstyrke til stimulering. I 2-D (todimensionelt) rum, det forventes, at samtidig lysstimulering er mulig for over 100 celler, og i fremtiden, holdet sigter mod at udvide stimulationsdybden til et par hundrede mikrometer ved hjælp af to-foton-stimulering.

For at observere levende celler, der er en grænse for fluorescensens effekt for at undgå at beskadige celler, så målinger med høj følsomhed er påkrævet. Teamet sigter mod at overvinde disse problemer og forberede det nye optiske mikroskopisystem til praktisk brug. Professor Matoba kommenterer, "Vi har en forskningsbevilling fra JST CREST Grant Number JPMJCR1755, Japan til at fremstille en SIFOM og derefter anvende den til videreudvikling af neurovidenskab. Vi vil samarbejde med virksomheder om at introducere det nye optiske mikroskop på det kommercielle marked."