Vårt fönster in i mobilvärlden blev precis mycket tydligare.

Genom att kombinera två bildtekniker, forskare kan nu titta på i oöverträffad 3D-detalj när cancerceller kryper, ryggradsnerven kretsar upp, och immunceller kryssar genom en zebrafiskens inre öra.

Fysikern Eric Betzig, en gruppledare vid Howard Hughes Medical Institutes Janelia Research Campus, och kollegor rapporterar arbetet den 19 april, 2018, i tidningen Vetenskap .

Forskare har avbildat levande celler med mikroskop i hundratals år, men de skarpaste vyerna har kommit från celler isolerade på glasskivor. De stora grupperna av celler inuti hela organismer krypterar ljus som en påse med marmor, Säger Betzig. "Detta väcker det tjusande tvivlet om att vi inte ser celler i sitt ursprungliga tillstånd, glatt inskränkt i organismen där de utvecklades. "

Även när du tittar på celler individuellt, de mikroskop som oftast används för att studera cellulära inre funktioner är vanligtvis för långsamma för att följa åtgärden i 3D. Dessa mikroskop badar celler med ljus tusentals till miljontals gånger intensivare än ökensolen, Säger Betzig. "Detta bidrar också till vår rädsla för att vi inte ser celler i deras naturliga, ostressad form.

"Det sägs ofta att se är att tro, men när det gäller cellbiologi, Jag tror att den mer lämpliga frågan är "När kan vi tro det vi ser?", Tillägger han.

För att möta dessa utmaningar, Betzig och hans team kombinerade två mikroskopiteknologier som de först rapporterade 2014, samma år delade han Nobelpriset i kemi. För att avlägsna ljuset från celler begravda i organismer, forskarna vände sig till adaptiv optik - samma teknik som astronomer använde för att ge tydliga vyer över avlägsna himmelska föremål genom jordens turbulenta atmosfär. Sedan, för att avbilda den interna koreografin av dessa celler snabbt men försiktigt i 3D, laget använde gitterljusmikroskopi. Den tekniken sveper snabbt och upprepade gånger ett ultratunt ljusark genom cellen samtidigt som man får en serie 2-D-bilder, bygga en högupplöst 3D-film med subcellulär dynamik.

Det nya mikroskopet är i huvudsak tre mikroskop i ett:ett adaptivt optiskt system för att bibehålla den tunna belysningen av ett gitterljusark när det tränger in i en organism, och ett annat adaptivt optiskt system för att skapa störningsfria bilder när man tittar ner på det upplysta planet uppifrån. Genom att skina en laser genom endera vägen, forskarna skapar en ljuspunkt i den region de vill bilda. Förvrängningarna i bilden av denna "guidestjärna" berättar för teamet om de optiska avvikelserna längs båda vägarna. Forskarna kan korrigera dessa snedvridningar genom att applicera lika men motsatta snedvridningar på en pixelerad ljusmodulator på excitationssidan, och en deformerbar spegel vid detektering. Över stora volymer, snedvridningarna förändras när ljuset passerar olika vävnader. I detta fall, laget samlar stora 3D-bilder från en serie undervolymer, var och en med sina egna oberoende excitation och detekteringskorrigeringar.

Resultaten erbjuder ett elektrifierande nytt blick på biologi, och avslöjar en livlig metropol i aktion på subcellulär nivå. I en film från mikroskopet, en brinnande orange immuncell vrider sig vansinnigt genom en zebrafiskör medan han öser upp blå sockerpartiklar längs vägen. I en annan, en cancercell spårar klibbiga bilagor när den rullar genom ett blodkärl och försöker få köp på kärlväggen.

Komplexiteten i 3D-flercelliga miljön kan vara överväldigande, Betzig säger, men tydligheten i hans lags avbildning tillåter dem att beräknat "explodera" isär de enskilda cellerna i vävnad för att fokusera på dynamiken inom någon särskild, såsom ombyggnad av inre organeller under celldelning.

All denna detalj är svår att se utan adaptiv optik, Säger Betzig. "Det är för jävligt luddigt." Enligt hans uppfattning, adaptiv optik är ett av de viktigaste områdena inom mikroskopiforskning idag, och gitterljusarkmikroskopet, som utmärker sig vid 3D-bildbehandling, är den perfekta plattformen för att visa sin kraft. Adaptiv optik har inte riktigt tagit fart ännu, han säger, eftersom tekniken har varit komplicerad, dyr, och tills nu, inte klart värt ansträngningen. Men inom 10 år, Betzig förutspår, biologer överallt kommer att vara ombord.

Nästa stora steg är att göra den tekniken prisvärd och användarvänlig. "Tekniska demonstrationer och publikationer är inte en bönkulle. Det enda måttet som ett mikroskop ska bedömas är hur många som använder det, och betydelsen av vad de upptäcker med det, "Säger Betzig.

Det nuvarande mikroskopet fyller ett 10 fot långt bord. "Det är lite av ett Frankensteins monster just nu, säger Betzig, som flyttar till University of California, Berkeley, på hösten. Hans team arbetar med en nästa generations version som ska passa på ett litet skrivbord till en kostnad inom räckhåll för enskilda laboratorier. Det första instrumentet kommer att gå till Janelias Advanced Imaging Center, där forskare från hela världen kan ansöka om att få använda den. Planer på att skapa egna kopior kommer också att göras fritt tillgängliga. I sista hand, Betzig hoppas att den adaptiva optiska versionen av gittermikroskopet kommer att kommersialiseras, som var basgitterinstrumentet före det. Det skulle kunna föra adaptiv optik till mainstream.

"Om du verkligen vill förstå cellen in vivo, och avbilda den med den möjliga kvaliteten in vitro, detta är inträdespriset, " han säger.