Insidan av levande celler kan ses i deras naturliga tillstånd mer detaljerat än någonsin tidigare med hjälp av en ny teknik som utvecklats av forskare i Japan. Detta framsteg borde hjälpa till att avslöja de komplexa och ömtåliga biologiska interaktionerna mellan medicinska mysterier, som hur stamceller utvecklas eller hur man levererar läkemedel mer effektivt.

"Vårt system är baserat på ett enkelt koncept, vilket är en av dess fördelar, "sade docent Takuro Ideguchi från University of Tokyo Research Institute for Photon Science and Technology. Resultaten från Ideguchis team publicerades nyligen i Optica , Optical Societys forskningstidskrift.

Den nya metoden har också fördelarna med att använda levande celler utan att skada dem via intensivt ljus, eller artificiellt fästa fluorescerande taggar till specifika molekyler.

Tekniken kombinerar två redan existerande mikroskopiverktyg och använder dem samtidigt. Kombinationen av dessa verktyg kan helt enkelt ses som en målarbok.

"Vi samlar cellens svartvita konturer och färgar praktiskt taget in detaljerna om var olika typer av molekyler finns, sa Ideguchi.

Kvantitativ fasmikroskopi samlar in information om cellens svartvita kontur med hjälp av ljuspulser och mäter skiftet i ljusvågorna efter att de passerat genom ett prov. Denna information används för att rekonstruera en 3D-bild av de viktigaste strukturerna inuti cellen.

Molekylär vibrationsavbildning ger den virtuella färgen med hjälp av pulser av midinfrarött ljus för att tillföra energi till specifika typer av molekyler. Den extra energin får molekylerna att vibrera, vilket värmer upp deras närmiljö. Forskare kan välja att höja temperaturen på specifika typer av kemiska bindningar genom att använda olika våglängder av midinfrarött ljus.

Forskare tar en kvantitativ fasmikroskopibild av cellen med det midinfraröda ljuset avstängt och en bild med det påslaget. Skillnaden mellan de två bilderna avslöjar sedan både konturerna av större strukturer inuti cellen och de exakta platserna för den typ av molekyl som riktades mot av det infraröda ljuset.

Forskare hänvisar till sin nya kombinerade avbildningsmetod som biokemisk kvantitativ fasavbildning med midinfraröd fototermisk effekt.

"Vi blev imponerade när vi först observerade den molekylära vibrationssignaturen som är karakteristisk för proteiner, och vi blev ytterligare glada när denna proteinspecifika signal dök upp på samma plats som kärnan, en intracellulär struktur där höga mängder proteiner kan förväntas, sa Ideguchi.

Ideguchis team hoppas att deras teknik kan tillåta forskare att bestämma fördelningen av grundläggande typer av molekyler inuti enstaka celler. Den kvantitativa fasmikroskopi -konturen av större strukturer kan praktiskt taget färgas genom att använda olika ljusets våglängder för att specifikt rikta in proteiner, lipider (fetter) eller nukleinsyror (DNA, RNA).

För närvarande, att ta en hel bild kan ta 50 sekunder eller längre. Forskare är övertygade om att de kan påskynda processen med enkla förbättringar av sina verktyg, inklusive en ljuskälla med högre effekt och en känsligare kamera.