Små fedtdråber inde i levende celler bevæger sig i tre dimensioner. Et nyt mikroskopsystem kan følge dem med 19,2 komplette rumlige billeder i sekundet uden at tilsætte fluorescerende mærkestoffer. Metoden blev offentliggjort i Nature Communications den 30. oktober og præsenteret samme dag af University of Tokyo.

Fremskridtet gør det lettere at undersøge bevægelse sammen med kemisk information. Et almindeligt billede viser, hvor en struktur befinder sig i billedplanet. Her vil forskerne også vide, hvor den er i dybden, og om signalet passer til eksempelvis fedtstoffer. Det kræver flere oplysninger end en hurtig kameraoptagelse alene.

Infrarødt lys giver kemisk kontrast

Systemet bygger på midtinfrarød fototermisk mikroskopi. Molekyler absorberer infrarødt lys forskelligt afhængigt af deres vibrationer. Absorptionen skaber en lille varmeeffekt, som ændrer prøvens brydningsindeks. Forskerne registrerer denne ændring med synligt lys og kan dermed få kontrast fra bestemte kemiske bestanddele.

Det er en indirekte måling: Kameraet fotograferer ikke enkelte kemiske bindinger. Det registrerer en optisk virkning, der opstår, når prøven absorberer det valgte infrarøde lys. Ved at vælge bølgelængde kan holdet fremhæve bestemte molekylære signaler frem for blot cellens ydre form.

Masato Fukushima, Keiichiro Toda og deres kolleger fra University of Tokyo har sammen med Takuro Ideguchi udviklet den nye kombination. Arbejdet kaldes MIP-ODT: midtinfrarød fototermisk optisk diffraktionstomografi. Et tidligere fortryk blev lagt frem i marts; den aktuelle nyhed er den færdige tidsskriftspublikation og universitetets præsentation.

Hastighed kræver både lys og hurtige vinkelskift

Tomografi betyder her, at målinger fra forskellige belysningsretninger bruges til at beregne en rumlig fordeling. Forskerne kombinerer stærk følsomhed i hver optagelse med hurtige skift mellem elleve belysningsvinkler. Det mindsker behovet for at lægge mange gentagne billeder sammen for at få et tydeligt signal.

Holdet rapporterer en hastighed på 19,2 volumener i sekundet, næsten 400 gange hurtigere end tidligere implementeringer af den sammenlignede MIP-tomografi. Sammenligningen gælder denne metodefamilie, ikke alle former for mikroskopi. Andre mikroskoper kan optage hurtigt, men måler ikke nødvendigvis den samme kombination af kemi, rumlig struktur og tid.

En vigtig forskel er, om et tal beskriver flade billeder eller hele tredimensionelle volumener. Hvis flere målinger skal samles til ét volumen, er kameraets billedrate ikke det samme som hastigheden af den færdige 3D-film. Det er volumenerne, der gør tallet relevant for at følge en struktur gennem cellen.

Fedtdråber demonstrerer mulighederne

I demonstrationen brugte forskerne levende COS-7-celler behandlet med oliesyre for at fremme dannelsen af fedtdråber. Ved en indstilling, som fremhæver lipidholdige strukturer, optog de bevægelse over cirka 3,6 sekunder. De brugte de tredimensionelle baner til at analysere, hvordan dråbernes bevægelsesmønstre varierede.

Her har dybden en praktisk betydning. En dråbe, der bevæger sig mod eller væk fra objektivet, kan se næsten stillestående ud i en flad projektion. En anden kan forsvinde ud af et valgt billedsnit. Rumlige spor giver derfor et andet grundlag for at beskrive transport end en enkelt todimensional serie.

Systemet kan også skifte mellem infrarøde bølgetal og indsamle spektral information. Holdet demonstrerede omkring 20 spektrale punkter på cirka ét sekund. Det er en anden driftstilstand: Resultatet betyder ikke, at alle 20 kemiske indstillinger samtidig optages med 19,2 fulde volumener i sekundet.

Et forskningsværktøj med konkrete grænser

At undgå farvemærkning fjerner behovet for at koble et fluorescerende stof til det, man ønsker at se. Det betyder dog ikke, at enhver molekyletype automatisk kan skelnes fra alle andre, eller at enhver celle og prøvetykkelse kan undersøges lige godt. Kemisk kontrast, følsomhed og optiske betingelser skal fortsat passe til opgaven.

Studiet er en demonstration af en laboratoriemetode, ikke en klinisk diagnose eller en film af alle cellens molekyler. Forskerne har gjort måledata og analyseprogrammer tilgængelige. Det giver andre mulighed for at efterprøve beregningerne og undersøge, hvilke biologiske spørgsmål der faktisk får et bedre svar, når kemiske signaler kan følges i tre dimensioner over tid.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.