När man undersöker hur tumörer växer, eller hur läkemedel påverkar olika typer av celler, forskare måste förstå hur molekyler i en cell reagerar - och interagerar. Detta är möjligt med modern lasermikroskopi. Tills nu, dock, molekyler i cellprover måste märkas med fluorescerande ämnen för att göra dem synliga, och detta kan förvränga själva beteendet hos molekylerna. Forskargrupper från Bielefeld University och University of Hong Kong har utvecklat ett lasermikroskop som fungerar utan att behöva märka molekylerna. För detta, forskarna förnyade en unik kompaktfiberlaser istället för de solid state-lasrar som tidigare använts. Det nya mikroskopet genererar mycket mindre brus när det används än vanliga konstruktioner, gör den lämplig för användning i operationssalar. Forskarna presenterade sin innovativa teknik i tidskriften Ljus:Vetenskap och tillämpningar , som är utgiven av Springer Nature.

"Etikettfri mikroskopisk avbildning är för närvarande ett hett ämne inom biomedicinsk forskning, " säger professor Dr Thomas Huser, en biofysiker som leder forskningsgruppen Biomolecular Photonics vid Bielefeld University. Hans team arbetade tillsammans med professor Dr Kenneth K.Y. Wongs forskargrupp vid University of Hong Kong om fiberlasermikroskopet.

"Fargning med fluorescerande markörer är i allmänhet olämpligt för in vivo-vävnader, "säger Huser." Etikettfri mikroskopi behövs, till exempel, att undersöka hur olika nya typer av celler utvecklas från stamceller. Det gör också att en tumör kan avgränsas från normal vävnad utan färgning. Och vi kan konstatera hur farmaceutiska föreningar reagerar med molekyler i muskelvävnadscellerna i hjärtat och levern, såväl som andra celler."

På senare år har fiberlasrar har ofta utvärderats för användning i optiska nanomikroskop, där ljus överförs genom glasfibrer snarare än genom en solid kropp av kristall eller glas. "I mikroskop, dock, fiberlasrar var tidigare sämre än solid state-lasrar eftersom de var mindre kraftfulla och mycket bullriga, " förklarar Huser. För att få molekylspecifik avbildning med deras mikroskop, forskarna använder inte en utan två synkroniserade optiska resonatorer (laserkaviteter). Av dessa resonatorer, laserstrålarna konvergerar på provet som testas. Båda lasrarna skickar sina våglängder i korta pikosekundspulser - en pikosekund är en miljarddels sekund. "En utmaning här var att kontrollera lasrarna så att våglängderna träffade exemplaret genom linsen på exakt samma tid, säger Thomas Huser.

Som Dr. Cihang (Sherry) Kong, förklarar, en betydande fördel med det nya fiber-lasermikroskopet är att det är lättare att använda än ett klassiskt solid-state lasermikroskop. Dr. Kong är en kollega till Thomas Huser och en av huvudförfattarna till denna studie. "Det är mindre benäget att misstag, och eftersom molekylerna inte först behöver märkas, provet tar inte lika lång tid att förbereda jämfört med att använda andra mikroskop." Prototypen av mikroskopet kommer nu att fungera som bas för att bygga bärbara enheter. "Ett kompakt mikroskop kan sedan användas i operationssalen, till exempel för att markera tumörgränser under en operation, säger Cihang Kong.

För att säkerställa att fiberlasermikroskopet enkelt kan reproduceras, forskarna i både Bielefeld och Hong Kong arbetar på en prototyp av enheten. Den kooperativa forskningen för de två grupperna finansierades av den tyska akademiska utbytestjänsten (DAAD) och Hong Kong Research Grants Council (RGC), och kommer nu att fortsätta som en del av EU -projektet DeLIVER. "Detta har gjort det möjligt för oss att dela vår kunskap med varandra - vi kunde bedriva forskning på labbet i Hong Kong i flera månader, och kollegor från Hong Kong kunde komma till Bielefeld och hjälpa oss här, " säger Dr Christian Pilger, som ingår i Husers forskargrupp och även är huvudförfattare till studien.

"Den nya tekniken erbjuder fördelar för många biomedicinska tillämpningar, säger Kenneth Wong, som leder forskargruppen i Hong Kong. "Den tidiga upptäckten av tumörer är bara ett specifikt exempel på detta." För Kenneth Wong, Framgången för deras forskning är resultatet av ett nära samarbete under många år mellan Bielefeld University och University of Hong Kong. "Forskning inom biomedicinsk och hälsoteknologi sammanför båda våra universitet, speciellt när det gäller bildteknik."

För Thomas Huser, det finns en god möjlighet att det nya mikroskopet kommer att kunna användas i kliniska tillämpningar under de kommande åren. "Preliminära studier i samarbete med Evangelisches Klinikum Bielefeld sjukhus pågår redan för att använda mikroskopet för att analysera levervävnadsprover. Våra projektpartners var förvånade över vad detta mikroskop kan göra."