En ikke-destruktiv metode til at analysere molekyler i celler

Når man undersøger, hvordan tumorer vokser, eller hvordan lægemidler påvirker forskellige celletyper, forskere er nødt til at forstå, hvordan molekyler i en celle reagerer - og interagerer. Dette er muligt med moderne lasermikroskopi. Indtil nu, imidlertid, molekyler i celleprøver skulle mærkes med fluorescerende stoffer for at gøre dem synlige, og dette kan forvrænge selve molekylernes adfærd. Forskergrupper fra Bielefeld University og University of Hong Kong har udviklet et lasermikroskop, der virker uden at skulle mærke molekylerne. For det, forskerne fornyede en unik kompakt fiberlaser i stedet for de solid-state lasere, der tidligere var blevet brugt. Det nye mikroskop genererer langt mindre støj under brug end sædvanlige designs, gør den velegnet til brug på operationsstuer. Forskerne præsenterede deres innovative teknologi i tidsskriftet Lys:Videnskab og applikationer , som er udgivet af Springer Nature.

"Mærkatfri mikroskopisk billeddannelse er i øjeblikket et varmt emne inden for biomedicinsk forskning, " siger professor dr. Thomas Huser, en biofysiker, der leder forskningsgruppen Biomolecular Photonics ved Bielefeld Universitet. Hans team arbejdede sammen med professor Dr. Kenneth K.Y. Wongs forskningsgruppe ved University of Hong Kong om fiberlasermikroskopet.

"Farvning med fluorescerende markører er generelt uegnet til in vivo væv, " siger Huser. "Etiketfri mikroskopi er nødvendig, for eksempel, at undersøge, hvordan forskellige nye celletyper udvikler sig fra stamceller. Det giver også mulighed for, at en tumor kan afgrænses fra normalt væv uden farvning. Og vi kan konstatere, hvordan farmaceutiske forbindelser reagerer med molekyler i muskelvævscellerne i hjertet og leveren, såvel som andre celler."

I de seneste år, fiberlasere er ofte blevet evalueret til brug i optiske nanomikroskoper, hvor lyset transmitteres gennem glasfibre i stedet for gennem en fast krop af krystal eller glas. "I mikroskoper, imidlertid, fiberlasere var tidligere ringere end solid state-lasere, fordi de var mindre kraftige og meget støjende, " forklarer Huser. For at opnå molekylespecifik billeddannelse med deres mikroskop, forskerne bruger ikke én, men to synkroniserede optiske resonatorer (laserkaviteter). Ud af disse resonatorer, laserstrålerne konvergerer på prøven, der testes. Begge lasere sender deres bølgelængder i korte picosekund-impulser - et picosekund er en milliardtedel af et sekund. "En udfordring her var at kontrollere laserne, så bølgelængderne ramte prøven gennem linsen på nøjagtig samme tid, siger Thomas Huser.

Som Dr. Cihang (Sherry) Kong, forklarer, en væsentlig fordel ved det nye fiber-lasermikroskop er, at det er nemmere at betjene end et klassisk solid-state lasermikroskop. Dr. Kong er en kollega med Thomas Huser og en af ​​hovedforfatterne på denne undersøgelse. "Det er mindre tilbøjeligt til at fejle, og fordi molekylerne ikke først skal mærkes, prøven tager ikke så lang tid at forberede sammenlignet med at bruge andre mikroskoper." Prototypen af ​​mikroskopet vil nu tjene som grundlag for at bygge bærbare enheder. "Et kompakt mikroskop kunne derefter bruges i operationsstuen, for eksempel at markere tumorgrænser under en operation, " siger Cihang Kong.

For at sikre, at fiberlasermikroskopet nemt kan reproduceres, forskerne i både Bielefeld og Hong Kong arbejder på en prototype af enheden. De to gruppers kooperative forskning blev finansieret af German Academic Exchange Service (DAAD) og Hong Kong Research Grants Council (RGC), og vil nu fortsætte som en del af EU-projektet DeLIVER. "Dette har gjort det muligt for os at dele vores viden med hinanden - vi var i stand til at forske på laboratoriet i Hong Kong i flere måneder, og kolleger fra Hong Kong var i stand til at komme til Bielefeld og hjælpe os her, " siger Dr. Christian Pilger, som er medlem af Husers forskningsgruppe og også er hovedforfatter på undersøgelsen.

"Den nye teknologi giver fordele til mange biomedicinske anvendelser, "siger Kenneth Wong, der leder forskningsgruppen i Hong Kong. "Den tidlige påvisning af tumorer er kun et specifikt eksempel på dette." For Kenneth Wong, succesen med deres forskning er resultatet af et tæt samarbejde gennem mange år mellem Bielefeld University og University of Hong Kong. "Forskning i biomedicinske teknologier og sundhedsteknologier bringer begge vores universiteter sammen, især når det kommer til billedbehandlingsteknikker."

For Thomas Huser, der er en god mulighed for, at det nye mikroskop vil kunne bruges i kliniske applikationer i de kommende år. "Foreløbige undersøgelser i samarbejde med Evangelisches Klinikum Bielefeld hospital er allerede i gang for at bruge mikroskopet til at analysere levervævsprøver. Vores projektpartnere var forbløffede over, hvad dette mikroskop kan gøre."