För att genomgå högupplöst bildbehandling, celler måste ofta skivas och tärnas, uttorkad, målade med giftiga fläckar, eller inbäddad i harts. För celler, resultatet är en säker död.

Men om forskare bara kan se de inre funktionerna hos döda celler, de ser bara en del av historien. De kan inte övervaka levande cellers dynamiska realtidsprocesser, såsom metabola reaktioner eller svar på sjukdomar eller behandlingar.

"Subcellulära komponenter och strukturer har en djupgående inverkan på beteendet hos det komplexa cellulära maskineriet och systembiologin, "sade Northwestern Universitys Gajendra Shekhawat." Men att riva upp strukturerna och komponenterna inuti cellen är mycket utmanande eftersom de är så ömtåliga. "

Nu Shekhawat och Vinayak P. Dravid, Abraham Harris professor i materialvetenskap och teknik vid Northwestern Engineering, har utvecklat ett nytt icke-invasivt bildsystem som gör det möjligt att se subcellulära arkitekturen för levande celler i nanometer-upplösning. Kallas ultraljudsbioprobe, tekniken kombinerar ultraljudsvågor med atomkraftsmikroskopi, interagerar med levande celler för att bestämma förändringarna i deras mekaniska beteende.

Med stöd av National Science Foundation (NSF) och National Heart, Lunga, och Blood Institute, forskningen publicerades nyligen i Vetenskapliga framsteg . Shekhawat och Dravid fungerade som tidningens motsvarande författare. Shekhawat, en forskarassistent i materialvetenskap och teknik, var också den första författaren till tidningen. Forskningen slutfördes i Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental (NUANCE) Center. NUANCE är ledande anläggning i det NSF-stödda National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI) -programmet, som har sitt huvudkontor i Northwestern och kallas resursen Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental (SHyNE).

Trots de senaste framstegen inom bildbehandling, det finns för närvarande ingen enda metod som ger högupplösta och högkänsliga bilder av levande subcellulära strukturer. Fluorescerande och konfokalmikroskopi, som är traditionella metoder för att övervaka de biologiska interaktionerna inuti celler, lider av dålig rumsupplösning och kräver invasiva färgämnen eller etiketter för att förbättra kontrast och markera strukturer i biologiska vävnader. Ljus- och akustisk vågavbildning kan inte se strukturer som är mindre än några hundra nanometer. Skanningsprobmikroskopi kan ge mycket hög rumslig upplösning men kan bara identifiera ytstrukturer snarare än att titta inuti en cell. Och medan elektronmikroskopi kan se fina detaljer på subcellulär nivå, det är en destruktiv teknik som inte kan användas för levande biologiska vävnader.

"Många vägspärrar har funnits, "sa Dravid, som leder NUANCE Center och SHyNE Resource. "Karakterisering av den komplexa dynamiken i biologiska processer, särskilt signalvägar vid nanoskalaupplösning, har förblivit en utmaning."

Shekhawat och Dravids ultraljudsbioprobe, dock, kringgår dessa frågor. Dess ultraljudsvågor avbildar icke-invasivt djupt begravda intracellulära egenskaper. Och dess atomkraftmikroskopisond ger hög känslighet och mekanisk kontrast mellan de spridda ultraljudsvågorna. Resultatet? Ej destruktiv, anmärkningsvärt hög kontrast, nanoskala bilder av strukturer och komponenter djupt inne i levande vävnader och celler.

"Med hjälp av detta icke-invasiva tillvägagångssätt, vi kan övervaka avbildning i realtid av de nanomekaniska förändringarna i komplexa biologiska system, "Shekhawat sa." Detta kan ge ledtrådar för tidig diagnostik och potentiella vägar för att utveckla terapeutiska strategier. "

Nästa, laget planerar att utöka sin teknik till olika biomedicinska tillämpningar, såsom nanomekaniken i mjuka vävnader som hud, emaljer, och ben för att undersöka deras tredimensionella arkitektur ner till rumslig upplösning i nanoskala.

"En signifikant variation i cellulära nanostrukturer och mekanik kan direkt påverkas av cellcancerförhållandena, "Dravid sa." Så Ultraljud Bioprobe kan också utöka vår grundläggande förståelse för nanomekaniken som spelar i cancerceller. "