Forskare vid University of Texas i Austin har demonstrerat en metod för att göra tredimensionella bilder av strukturer i biologiskt material under naturliga förhållanden med en mycket högre upplösning än andra befintliga metoder. Metoden kan bidra till att belysa hur celler kommunicerar med varandra och ge viktiga insikter för ingenjörer som arbetar med att utveckla konstgjorda organ som hud eller hjärtvävnad.

Forskningen beskrivs idag i tidskriften Naturkommunikation .

Forskarna, ledd av fysikern Ernst-Ludwig Florin, använde sin metod, kallas termisk brusavbildning, att fånga bilder i nanometerskala av nätverk av kollagenfibriller, som utgör en del av den bindväv som finns i huden på djur. En nanometer är en miljarddels meter eller ungefär en hundra tusendels bredd av ett människohår. Att undersöka kollagenfibriller i denna skala gjorde det möjligt för forskarna att för första gången mäta nyckelegenskaper som påverkar hudens elasticitet, något som kan leda till förbättrad design för konstgjord hud eller vävnader.

Att ta skarpa 3D-bilder av strukturer i nanoskala i biologiska prover är extremt svårt, delvis för att de tenderar att vara mjuka och badade i vätska. Detta innebär att små fluktuationer i värmen gör att strukturer rör sig fram och tillbaka, en effekt som kallas Brownsk rörelse.

För att övervinna suddigheten som detta skapar, andra avbildningstekniker med superupplösning "fixar" ofta biologiska prover genom att lägga till kemikalier som gör olika strukturer styva, i vilket fall, material förlorar sina naturliga mekaniska egenskaper. Forskare kan ibland övervinna suddighet utan att fixa proverna om, till exempel, de fokuserar på stela strukturer som sitter fast på en glasyta, men det begränsar allvarligt de typer av strukturer och konfigurationer de kan studera.

Florin och hans team tog ett annat tillvägagångssätt. För att göra en bild, de lägger till nanosfärer - nanometerstora pärlor som reflekterar laserljus - till sina biologiska prover under naturliga förhållanden, lysa en laser på provet och sammanställa supersnabba ögonblicksbilder av nanosfärerna sedda genom ett ljusmikroskop.

Forskarna förklarar att metoden, termisk brusavbildning, fungerar ungefär så här analogin:Föreställ dig att du behövde ta en tredimensionell bild av ett rum i totalt mörker. Om du skulle kasta in en glödande gummiboll i rummet och använda en kamera för att samla in en serie höghastighetsbilder av bollen när den studsar runt, du skulle se att när bollen rör sig runt i rummet, den kan inte röra sig genom fasta föremål som bord och stolar. Genom att kombinera miljontals bilder tagna så snabbt att de inte blir suddiga, du skulle kunna bygga en bild av var det finns föremål (varhelst bollen inte kunde gå) och var det inte finns föremål (var den kunde gå).

Vid termisk brusavbildning, motsvarigheten till gummibollen är en nanosfär som rör sig runt i ett prov med naturliga Brownska rörelser - samma oregerliga kraft som har fördärvat andra mikroskopimetoder.

"Det här kaotiska vickandet är en olägenhet för de flesta mikroskopitekniker eftersom det gör allt suddigt, " säger Florin. "Vi har vänt det till vår fördel. Vi behöver inte bygga en komplicerad mekanism för att flytta runt vår sond. Vi lutar oss tillbaka och låter naturen göra det åt oss."

Det ursprungliga konceptet för termisk brusavbildningsteknik publicerades och patenterades 2001, men tekniska utmaningar hindrade det från att utvecklas till en fullt fungerande process förrän nu.

Verktyget gjorde det möjligt för forskarna att för första gången mäta de mekaniska egenskaperna hos kollagenfibriller i ett nätverk. Kollagen är en biopolymer som bildar byggnadsställningar för celler i huden och bidrar till hudens elasticitet. Forskare är fortfarande inte säkra på hur ett kollagennätverks arkitektur resulterar i dess elasticitet, en viktig fråga som måste besvaras för rationell design av konstgjord hud.

"Om du vill bygga konstgjord hud, du måste förstå hur de naturliga komponenterna fungerar, ", säger Florin. "Du kan då bättre designa ett kollagennätverk som fungerar som en byggnadsställning som uppmuntrar celler att växa på rätt sätt."