Forscher der Universität Tokio haben einen Durchbruch in der Hochgeschwindigkeitsmikroskopie vorgestellt, der die Aufnahme dreidimensionaler Bilder lebender Zellen mit beispielloser Geschwindigkeit ermöglicht. Die in Nature Communications veröffentlichte Studie beschreibt eine neue Technik, die in der Lage ist, "Videos" dynamischer Prozesse innerhalb von Zellen zu generieren, indem Bilder fast 400-mal schneller als bei früheren Bemühungen erfasst werden.
Das Team nutzte mittleres Infrarotlicht, um photothermische Signale zu erzeugen und Momentaufnahmen der Temperaturänderungssignaturen aufzunehmen, die von verschiedenen Molekülen innerhalb der Zelle emittiert werden. Dieser markierungsfreie Ansatz vermeidet die Verwendung von Farbstoffen, die für lebende Proben toxisch sein können, und ermöglicht dennoch die Kartierung der inneren Zellzusammensetzung basierend auf charakteristischen chemischen Bindungsfrequenzen. Durch die Beleuchtung der Probe mit sichtbarem Licht nach dem Schwingen dieser Bindungen können Forscher die chemische Zusammensetzung der Zelle visualisieren.
Frühere Methoden für die dreidimensionale photothermische Tomographie im mittleren Infrarotbereich waren auf weniger als 0,05 Bilder pro Sekunde begrenzt, aufgrund der Zeit, die für die Signalmittelung und sequenzielle Messungen aus verschiedenen Winkeln erforderlich war. Die neue Technik, bezeichnet als Video-Rate-Mittlere-Infrarot-Photothermische-Optische-Diffraktionstomographie (MIP-ODT), erreicht eine Rate von 19,2 Bildern pro Sekunde. Diese Geschwindigkeit ermöglicht es dem System, ein vollständiges dreidimensionales Bild alle 52 Millisekunden zu erfassen.
Masato Fukushima, erster Autor der Studie und Doktorand am Institut für Physik, erklärte, dass das Team frühere Geschwindigkeitsbarrieren überwand, indem es einen räumlichen Lichtmodulator einsetzte. Dieses Gerät formt die Lichteigenschaften präzise, um Beleuchtungswinkel schnell zu steuern und gleichzeitig das Signal-Rausch-Verhältnis für jeden Schuss zu maximieren. Das Ergebnis verwandelt die Technik von einem Werkzeug zur Beobachtung statischer Proben in eines, das in der Lage ist, schnelle biologische Prozesse quantitativ in drei Dimensionen zu untersuchen.
Mit MIP-ODT verfolgten die Forscher erfolgreich Lipidtröpfchen, die für die Energieregulierung und die Lipidspeicherung verantwortlich sind, während sie sich durch den dreidimensionalen Raum bewegten. Diese Fähigkeit enthüllte Transportverhalten, das mit alleiniger zweidimensionaler Bildgebung schwer zu erkennen ist. Das Team sieht zukünftige Anwendungen in der Untersuchung biomolekularer Kondensate vor, membranloser Strukturen, die Proteine und Nukleinsäuren enthalten, deren abnormales Verhalten mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht wird.
Takuro Ideguchi, leitender Autor der Studie und Professor an der Graduate School of Frontier Sciences, hob das Potenzial hervor, grundlegende biologische Fragen zu beantworten. Er stellte fest, dass die markierungsfreie Natur der Bildgebung quantitative Informationen über die chemische Zusammensetzung liefert und darauf abzielt, durch die Visualisierung zellulärer Dynamiken über die Zeit hinweg ein auf Messungen basierendes Verständnis des Lebens voranzutreiben.
Quellen: Phys.org.