Livets kam:En ny metode til fluorescensmikroskopi

Fluorescensmikroskopi er meget udbredt i biokemi og biovidenskab, fordi det giver forskere mulighed for direkte at observere celler og visse forbindelser i og omkring dem. Fluorescerende molekyler absorberer lys inden for et specifikt bølgelængdeområde og genudsender det derefter ved det længere bølgelængdeområde. Imidlertid, den største begrænsning ved konventionelle fluorescensmikroskopiteknikker er, at resultaterne er meget vanskelige at vurdere kvantitativt; fluorescensintensitet påvirkes signifikant af både forsøgsbetingelser og koncentrationen af ​​det fluorescerende stof. Nu, en ny undersøgelse foretaget af videnskabsmænd fra Japan skal revolutionere området for fluorescens livstidsmikroskopi.

En vej uden om det konventionelle problem er at fokusere på fluorescens levetid i stedet for intensitet. Når et fluorescerende stof bestråles med et kort lysudbrud, den resulterende fluorescens forsvinder ikke umiddelbart, men "henfalder" faktisk over tid på en måde, der er specifik for det pågældende stof. Fluorescens-levetidsmikroskopi-teknikken udnytter dette fænomen, som er uafhængig af eksperimentelle forhold, at kvantificere fluorescerende molekyler og ændringer i deres miljø. Imidlertid, fluorescensforfald er ekstremt hurtigt, og almindelige kameraer kan ikke fange det. Mens en enkeltpunkts fotodetektor kan bruges i stedet, det skal scannes i hele prøvens område for at kunne rekonstruere et komplet 2D-billede fra hvert målt punkt. Denne proces involverer bevægelse af mekaniske stykker, hvilket i høj grad begrænser billedoptagelseshastigheden.

I denne nylige undersøgelse, udgivet i Videnskab fremskridt , holdet af videnskabsmænd udviklede en ny tilgang til at erhverve fluorescens-livstidsbilleder uden behov for mekanisk scanning. Professor Takeshi Yasui, fra Institute of Post-LED Photonics (pLED), Tokushima Universitet, Japan, hvem ledede undersøgelsen, siger, "Vores metode kan tolkes som samtidig kortlægning af 44, 400 lysbaserede 'stopure' over et 2D-rum til at måle fluorescenslevetider - alt sammen i et enkelt skud og uden scanning."

En af hovedpillerne i deres metode er brugen af ​​en optisk frekvenskam som excitationslyset for prøven. En optisk frekvenskam er i det væsentlige et lyssignal sammensat af summen af ​​mange diskrete optiske frekvenser med en konstant afstand mellem dem. Ordet "kam" henviser i denne sammenhæng til, hvordan signalet ser ud, når det plottes mod optisk frekvens:en tæt klynge af ækvidistante spidser, der stiger op fra den optiske frekvensakse og ligner en hårkam. Brug af specielt optisk udstyr, et par excitationsfrekvens-kamsignaler dekomponeres til individuelle optiske beat-signaler (dobbelt-kam optiske beats) med forskellige intensitetsmodulationsfrekvenser, hver bærer en enkelt modulationsfrekvens og bestråles på målprøven. Nøglen her er, at hver lysstråle rammer prøven på et rumligt distinkt sted, skabe en en-til-en-korrespondance mellem hvert punkt på 2-D-overfladen af ​​prøven (pixel) og hver modulationsfrekvens af de dobbeltkamme optiske beats.

På grund af dets fluorescensegenskaber, prøven udsender en del af den indfangede stråling igen og bevarer korrespondancen mellem frekvenser og positioner. Fluorescensen, der udsendes fra prøven, fokuseres derefter blot ved hjælp af en linse på en højhastigheds enkeltpunkts fotodetektor. Endelig, det målte signal omdannes matematisk til frekvensdomænet, og fluorescenslevetiden ved hver "pixel" beregnes let ud fra den relative faseforsinkelse, der eksisterer mellem excitationssignalet ved denne modulationsfrekvens versus den målte.

Takket være dens overlegne hastighed og høje rumlige opløsning, mikroskopimetoden udviklet i denne undersøgelse vil gøre det lettere at udnytte fordelene ved fluorescens-levetidsmålinger. "Fordi vores teknik ikke kræver scanning, en samtidig måling over hele prøven er garanteret i hvert skud, "siger prof. Yasui, "Dette vil være nyttigt inden for biovidenskab, hvor dynamiske observationer af levende celler er nødvendige." Ud over at give dybere indsigt i biologiske processer, denne nye tilgang kunne bruges til samtidig billeddannelse af flere prøver til antigentestning, som allerede bruges til diagnosticering af COVID-19.

Måske vigtigst af alt, denne undersøgelse viser, hvordan optiske frekvenskamme, som kun blev brugt som "frekvenslinealer, "kan finde et sted i mikroskopiteknikker til at skubbe rammen inden for biovidenskab. Det lover godt for udviklingen af ​​nye terapeutiske muligheder for at behandle uoverkommelige sygdomme og øge forventet levetid, derved gavner hele menneskeheden.