EPFL -forskare har utvecklat en ny typ av mikroskopglas som kan öka mängden ljus i fluorescensmikroskopi med en faktor upp till 25. Dessa nya diabilder kan både förstärka och rikta ljus, vilket gör dem idealiska för applikationer som sträcker sig från tidig diagnos till snabb arkivering av patologiska prover.

För forskare, glasskivorna som används för att förbereda prover för att titta på under ett mikroskop är en del av deras arbete - och de har inte förändrats mycket på nästan 200 år.

Vid Institute of Microengineering i Neuchâtel, del av EPFL:s tekniska högskola, forskare har utvecklat en ny typ av glasglas som står i strid med traditionen. Deras diabilder har en beläggning som "strukturerar" ljus, så att upp till 25 gånger mer ljus kan avges och därigenom öka känsligheten hos de mikroskop de används med.

Nicolas Descharmes och Raphaël Barbey utvecklade sina bilder speciellt för fluorescensmikroskopi, som ofta används för att diagnostisera cancer och autoimmuna sjukdomar, identifiera allergier eller sekvens -DNA. Deras design har unika optiska egenskaper och gör det möjligt att detektera en liten mängd ljus. Detta kan vara särskilt användbart för att ställa diagnos i ett tidigt skede, snabbt identifiera specifika typer av cancer och snabbt arkivera patologiprover. "I ett idealiskt fall, våra objektglas kan användas för att detektera närvaron av en molekyl, där 25 molekyler skulle behövas på konventionella objektglas, säger Descharmes.

Forskarna har patenterat sin teknik, och deras bilder - som redan har använts av forskare inom en rad områden - kommer snart att testas på flera företag. Paret har fått stöd från EPFL, Gebert Rüf -stiftelsen och Innosuisse, och planerar att starta ett eget företag under de kommande månaderna. Genom sin start, Descharmes och Barbey kommer att kunna skala upp produktionen och göra bilderna tillgängliga för sjukhuslaboratorier och diagnostikleverantörer.

Eliminerar två huvudsakliga nackdelar

Fluorescensmikroskopi fungerar genom att detektera ljuset som föreningar som kallas fluoroforer avger vid upphetsning. Mer specifikt, fluoroforer absorberar ljus vid en given våglängd, kallas excitationsvåglängden, och, som svar, avge ljus vid en längre våglängd, kallas emissionsvåglängden. Med fluorescensmikroskop, forskare kan se objekt som är naturligt fluorescerande eller som har markerats med en fluorofor, och det skulle vara omöjligt att se med ett vanligt mikroskop.

Men det finns två huvudsakliga nackdelar med att använda glasskivor i fluorescensmikroskopi. Först, fluoroforer avger vanligtvis en mycket liten mängd ljus. Och för det andra, det mesta av ljuset som de avger går vilse i bilden, vilket betyder att den inte kan användas. Som ett resultat, många föreningar är svåra eller till och med omöjliga att upptäcka om det inte finns en ganska stor mängd i provet.

En optisk lagerkaka

Descharmes och Barbeys diabilder har en skiktad struktur som kan styra den elektromagnetiska miljön som omger proverna. När ljuset lyser på fluoroforerna i ett prov, de avger mer ljus än de skulle göra på en vanlig bild, och allt det ljuset riktas mot mikroskopets detektor. Det resulterar i bilder som är tydligare eller som kan genereras snabbare.

"Det jag har sett hittills är mycket lovande, "säger Séverine Lorrain, en senior tekniker vid UNIL:s proteinanalysanläggning som arbetar med att upptäcka proteiner i prover. "Jag blev verkligen imponerad av hur effektiva bilderna är på att förstärka fluorescenssignalen. Det betyder att jag kunde undvika att gå igenom ett separat signalförstärkningssteg - en stor fördel eftersom det steget ofta introducerar bakgrundsbrus."

Jessica Dessimoz, chef för EPFL Histology Core Facility, finner också de nya bilderna lovande:"Ytan på dessa bilder förbättrar visualiseringen av den fluorescerande signalen och minskar den exponeringstid som krävs. Det kan visa sig vara mycket användbart för applikationer som cyklisk immunfluorescens."

Möjliggör diagnos i ett tidigt skede

EPFL -forskarna riktar in sig på flera tillämpningar för sin uppfinning, till exempel tidig diagnos av vissa typer av cancer eller lättare avläsning och arkivering av histopatologiska bilder, som ofta används vid analyser av biopsier. Enligt Barbey, "Att skanna konventionella bilder i fluorescens tar lång tid eftersom signalerna är svaga. Men med våra bilder, processen kan gå mycket snabbare. Den svåra delen kommer att övertyga forskare att ge upp några av sina gamla bilder! "Raphaël Barbey arbetar för närvarande med att industrialisera produktionen av dessa bilder med ett annat Neuchâtel -flaggskepp för teknik - CSEM (Swiss Center for Electronics and Microtechnology).

Dessa nya bilder markerar ett skifte inom området fluorescensmikroskopi. Nästan alla mikroskopdelar har kontinuerligt optimerats under de senaste decennierna, förutom diabilderna. Ljuskällorna är nu kraftfullare, kamerorna är känsligare och linserna av bättre kvalitet. "Förvånande, bilderna har glömts lite i denna förbättringsprocess, "säger Barbey." Fördelen med vårt tillvägagångssätt är att det innebär en mindre förändring för mikroskopanvändare men kan avsevärt förbättra deras instrumentprestanda. "