Superopløsningsmikroskop bygger 3-D-billeder ved at kortlægge negativt rum

Forskere ved University of Texas i Austin har demonstreret en metode til at lave tredimensionelle billeder af strukturer i biologisk materiale under naturlige forhold med en meget højere opløsning end andre eksisterende metoder. Metoden kan hjælpe med at belyse, hvordan celler kommunikerer med hinanden og give vigtig indsigt for ingeniører, der arbejder på at udvikle kunstige organer som hud eller hjertevæv.

Forskningen er beskrevet i dag i tidsskriftet Naturkommunikation .

Forskerne, ledet af fysiker Ernst-Ludwig Florin, brugte deres metode, kaldet termisk støjbilleddannelse, at tage billeder i nanometer-skala af netværk af kollagenfibriller, som udgør en del af bindevævet, der findes i dyrenes hud. Et nanometer er en milliarddel af en meter eller omkring et hundrede tusindedele af bredden af ​​et menneskehår. Undersøgelse af kollagenfibriller i denne skala tillod forskerne for første gang at måle nøgleegenskaber, der påvirker hudens elasticitet, noget, der kan føre til forbedrede designs til kunstig hud eller væv.

Det er ekstremt svært at tage skarpe 3D-billeder af nanoskala strukturer i biologiske prøver, dels fordi de har tendens til at være bløde og badet i væske. Det betyder, at små udsving i varmen får strukturer til at bevæge sig frem og tilbage, en effekt kendt som Brownsk bevægelse.

For at overvinde den slør, som dette skaber, andre billedbehandlingsteknikker med superopløsning "reparerer" ofte biologiske prøver ved at tilføje kemikalier, der afstiver forskellige strukturer, i så fald, materialer mister deres naturlige mekaniske egenskaber. Forskere kan undertiden overvinde slør uden at rette prøverne, hvis, for eksempel, de fokuserer på stive strukturer, der sidder fast på en glasoverflade, men det begrænser stærkt den slags strukturer og konfigurationer, de kan studere.

Florin og hans team havde en anden tilgang. For at lave et billede, de tilføjer nanosfærer - perler i nanometerstørrelse, der reflekterer laserlys - til deres biologiske prøver under naturlige forhold, skinne en laser på prøven og kompilere superhurtige øjebliksbilleder af nanosfærerne set gennem et lysmikroskop.

Forskerne forklarer, at metoden, termisk støjbilleddannelse, virker nogenlunde som denne analogi:Forestil dig, at du havde brug for at tage et tredimensionelt billede af et værelse i totalt mørke. Hvis du skulle smide en glødende gummikugle ind i rummet og bruge et kamera til at samle en række højhastighedsbilleder af bolden, når den hopper rundt, du ville se det, når bolden bevæger sig rundt i rummet, det er ikke i stand til at bevæge sig gennem solide genstande som borde og stole. Kombinerer millioner af billeder taget så hurtigt, at de ikke sløres, du ville være i stand til at bygge et billede af, hvor der er objekter (hvor bolden ikke kunne gå), og hvor der ikke er objekter (hvor den kunne gå).

Ved termisk støjbilleddannelse, ækvivalent med gummikuglen er en nanosfære, der bevæger sig rundt i en prøve ved naturlig brunisk bevægelse - den samme uregerlige kraft, der har ført til andre mikroskopimetoder.

"Denne kaotiske vrikning er til gene for de fleste mikroskopiteknikker, fordi det gør alt sløret, "siger Florin." Vi har vendt det til vores fordel. Vi behøver ikke at bygge en kompliceret mekanisme til at flytte vores sonde rundt. Vi læner os tilbage og lader naturen gøre det for os. "

Det originale koncept for termisk støjbilledteknik blev offentliggjort og patenteret i 2001, men tekniske udfordringer forhindrede det i at blive udviklet til en fuldt fungerende proces indtil nu.

Værktøjet tillod forskerne for første gang at måle de mekaniske egenskaber af kollagenfibriller i et netværk. Kollagen er en biopolymer, der danner stilladser til celler i huden og bidrager til hudens elasticitet. Forskere er stadig ikke sikre på, hvordan et kollagennetværks arkitektur resulterer i dets elasticitet, et vigtigt spørgsmål, der skal besvares for det rationelle design af kunstig hud.

"Hvis du vil bygge kunstig hud, du skal forstå, hvordan de naturlige komponenter fungerer, "siger Florin." Du kunne da bedre designe et kollagennetværk, der fungerer som et stillads, der tilskynder celler til at vokse på den rigtige måde. "