Billedteknologi tillader visualisering af strukturer i nanoskala inde i hele celler

Siden Robert Hookes første beskrivelse af en celle i Micrographia for 350 år siden, mikroskopi har spillet en vigtig rolle i forståelsen af ​​levereglerne.

Imidlertid, den mindste opløselige funktion, resolutionen, er begrænset af lysets bølgenatur. Denne århundrede gamle barriere har begrænset forståelsen af ​​cellulære funktioner, interaktioner og dynamik, især på sub-mikron til nanometer skalaen.

Super-opløsning fluorescensmikroskopi overvinder denne fundamentale grænse, tilbyder op til tidoblet forbedring i opløsning, og giver videnskabsmænd mulighed for at visualisere den indre funktion af celler og biomolekyler med hidtil uset rumlig opløsning.

En sådan løsningsevne er hæmmet, imidlertid, når man observerer inde i helcelle- eller vævsprøver, som dem, der ofte analyseres under undersøgelser af kræften eller hjernen. Lyssignaler, udsendes fra molekyler inde i en prøve, rejse gennem forskellige dele af celle- eller vævsstrukturer med forskellige hastigheder og resultere i aberrationer, hvilket vil forringe billedet.

Nu, Purdue University-forskere har udviklet en ny teknologi til at overvinde denne udfordring.

"Vores teknologi giver os mulighed for at måle bølgefrontforvrængninger induceret af prøven, enten en celle eller et væv, direkte fra signalerne genereret af enkelte molekyler - små lyskilder knyttet til de cellulære strukturer af interesse, " sagde Fang Huang, en assisterende professor i biomedicinsk teknik i Purdue's College of Engineering. "Ved at kende den fremkaldte forvrængning, vi kan lokalisere de enkelte molekylers positioner med høj præcision og nøjagtighed. Vi opnår tusinder til millioner af koordinater af individuelle molekyler inden for et celle- eller vævsvolumen og bruger disse koordinater til at afsløre nanoskalaarkitekturen af ​​prøvebestanddele."

Purdue-holdets teknologi er for nylig udgivet i Naturens metoder .

"Under tredimensionel super-opløsning billeddannelse, vi registrerer tusinder til millioner af emissionsmønstre af enkelte fluorescerende molekyler, " sagde Fan Xu, en postdoktor i Huangs laboratorium og en medførsteforfatter af publikationen. "Disse emissionsmønstre kan betragtes som tilfældige observationer ved forskellige aksiale positioner, samplet fra den underliggende 3-D punktspredningsfunktion, der beskriver formerne af disse emissionsmønstre i forskellige dybder, som vi sigter efter at hente. Vores teknologi bruger to trin:tildeling og opdatering, for iterativt at hente bølgefrontsforvrængningen og 3-D-svarene fra det registrerede enkeltmolekyledatasæt, der indeholder emissionsmønstre for molekyler på vilkårlige steder."

Purdue-teknologien gør det muligt at finde positionerne af biomolekyler med en præcision ned til et par nanometer inde i hele celler og væv og derfor, løse cellulære og vævsarkitekturer med høj opløsning og pålidelighed.

"Denne fremgang udvider den rutinemæssige anvendelighed af superopløsningsmikroskopi fra udvalgte cellulære mål nær dækglas til intra- og ekstracellulære mål dybt inde i væv, " sagde Donghan Ma, en postdoc-forsker i Huangs laboratorium og en medførsteforfatter til publikationen. "Denne nyfundne kapacitet til visualisering kunne give mulighed for bedre forståelse for neurodegenerative sygdomme som Alzheimers, og mange andre sygdomme, der påvirker hjernen og forskellige dele inde i kroppen."

National Institutes of Health ydede stor støtte til forskningen.

Andre medlemmer af forskerholdet omfatter Gary Landreth, en professor fra Indiana University's School of Medicine; Sarah Calve, en lektor i biomedicinsk teknik i Purdue's College of Engineering (i øjeblikket lektor i maskinteknik ved University of Colorado Boulder); Peng Yin, en professor fra Harvard Medical School; og Alexander Chubykin, en assisterende professor i biologiske videnskaber ved Purdue. Den komplette liste over forfattere kan findes i Naturens metoder .

"Dette tekniske fremskridt er opsigtsvækkende og vil fundamentalt ændre den præcision, hvormed vi evaluerer de patologiske træk ved Alzheimers sygdom, " sagde Landreth. "Vi er i stand til at se mindre og mindre objekter og deres interaktioner med hinanden, som hjælper med at afsløre strukturkompleksiteter, vi ikke har værdsat før."

Calve sagde, at teknologien er et skridt fremad i regenerative terapier for at hjælpe med at fremme reparation i kroppen.

"Denne udvikling er afgørende for at forstå vævsbiologi og være i stand til at visualisere strukturelle ændringer, " sagde Calve.

Chubykin, hvis laboratorium fokuserer på autisme og sygdomme, der påvirker hjernen, sagde den højopløselige billedteknologi giver en ny metode til at forstå svækkelser i hjernen.

"Dette er et enormt gennembrud med hensyn til funktionelle og strukturelle analyser, " sagde Chubykin. "Vi kan se et meget mere detaljeret billede af hjernen og endda markere specifikke neuroner med genetiske værktøjer til yderligere undersøgelse."

Holdet arbejdede sammen med Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization for at patentere teknologien. Kontoret flyttede for nylig ind i Convergence Center for Innovation and Collaboration i Discovery Park District, støder op til Purdue campus.