Sedan Robert Hookes första beskrivning av en cell i Micrographia för 350 år sedan, mikroskopi har spelat en viktig roll för att förstå levnadsreglerna.

Dock, den minsta lösbara funktionen, upplösningen, begränsas av ljusets vågkaraktär. Denna hundraåriga barriär har begränsat förståelsen av cellulära funktioner, interaktioner och dynamik, särskilt i sub-mikron till nanometer skala.

Superupplöst fluorescensmikroskopi övervinner denna grundläggande gräns, erbjuder upp till tiofaldig förbättring i upplösning, och tillåter forskare att visualisera de inre funktionerna i celler och biomolekyler med en aldrig tidigare skådad rumslig upplösning.

Sådan lösningsförmåga försvåras, dock, när man observerar inuti helcells- eller vävnadsprover, som de som ofta analyserades under studierna av cancer eller hjärnan. Ljussignaler, emitteras från molekyler inuti ett prov, färdas genom olika delar av cell- eller vävnadsstrukturer med olika hastigheter och resulterar i aberrationer, vilket försämrar bilden.

Nu, Forskare från Purdue University har utvecklat en ny teknik för att övervinna denna utmaning.

"Vår teknik tillåter oss att mäta vågfrontsförvrängningar som induceras av provet, antingen en cell eller en vävnad, direkt från signalerna som genereras av enstaka molekyler - små ljuskällor fästa vid de cellulära strukturerna av intresse, sa Fang Huang, en biträdande professor i biomedicinsk teknik vid Purdue's College of Engineering. "Genom att känna till den förvrängning som orsakas, vi kan lokalisera positionerna för enskilda molekyler med hög precision och noggrannhet. Vi får tusentals till miljoner koordinater för enskilda molekyler inom en cell- eller vävnadsvolym och använder dessa koordinater för att avslöja nanoskalaarkitekturerna för provbeståndsdelar. "

Purdue-teamets teknologi har nyligen publicerats i Naturmetoder .

"Under tredimensionell superupplösningsavbildning, vi registrerar tusentals till miljontals utsläppsmönster för enstaka fluorescerande molekyler, sa Fan Xu, en postdoktor i Huangs labb och en av de första författare till publikationen. "Dessa utsläppsmönster kan betraktas som slumpmässiga observationer vid olika axiella positioner ur prov från den underliggande 3D-punktspridningsfunktionen som beskriver formerna för dessa utsläppsmönster på olika djup, som vi strävar efter att hämta. Vår teknik använder två steg:tilldelning och uppdatering, att iterativt hämta vågfrontsförvrängningen och 3-D-svaren från den inspelade datamolekylsatsen som innehåller emissionsmönster för molekyler på godtyckliga platser. "

Purdue-teknologin gör det möjligt att hitta positionerna för biomolekyler med en precision ned till några nanometer inuti hela celler och vävnader och därför, lösa cellulära och vävnadsarkitekturer med hög upplösning och trohet.

"Detta framsteg utökar rutinmässig tillämpning av superupplösande mikroskopi från utvalda cellulära mål nära täckglas till intra- och extracellulära mål djupt inuti vävnader, sa Donghan Ma, en postdoktor i Huangs labb och medförfattare till publikationen. "Denna nyfunna visualiseringskapacitet kan möjliggöra bättre förståelse för neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers, och många andra sjukdomar som påverkar hjärnan och olika delar inuti kroppen."

National Institutes of Health gav stort stöd till forskningen.

Andra medlemmar i forskargruppen inkluderar Gary Landreth, en professor från Indiana University's School of Medicine; Sarah Calve, docent i biomedicinsk teknik vid Purdues College of Engineering (för närvarande docent i maskinteknik vid University of Colorado Boulder); Peng Yin, en professor från Harvard Medical School; och Alexander Chubykin, en biträdande professor i biologiska vetenskaper vid Purdue. Den fullständiga listan över författare finns i Naturmetoder .

"Detta tekniska framsteg är häpnadsväckande och kommer att i grunden förändra precisionen med vilken vi utvärderar de patologiska egenskaperna hos Alzheimers sjukdom, ", sa Landreth. "Vi kan se mindre och mindre föremål och deras interaktioner med varandra, som hjälper till att avslöja strukturkomplexiteter som vi inte har uppskattat tidigare."

Calve sa att tekniken är ett steg framåt i regenerativa behandlingar för att främja reparation i kroppen.

"Denna utveckling är avgörande för att förstå vävnadsbiologi och kunna visualisera strukturella förändringar, sa Calve.

Chubykin, vars labb fokuserar på autism och sjukdomar som påverkar hjärnan, sa den högupplösta bildteknologin ger en ny metod för att förstå funktionsnedsättningar i hjärnan.

"Detta är ett enormt genombrott när det gäller funktionella och strukturella analyser, ", sade Chubykin. "Vi kan se en mycket mer detaljerad bild av hjärnan och till och med markera specifika neuroner med genetiska verktyg för vidare studier."

Teamet arbetade med Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization för att patentera tekniken. Kontoret flyttade nyligen in i Convergence Center for Innovation and Collaboration i Discovery Park District, intill Purdue campus.