Kredit:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
Genom att kombinera två mikroskopimetoder kan EPFL-forskare se vad som händer inuti en cell och på dess membran samtidigt, vilket ger oöverträffad inblick i de cellulära processer som till exempel sker under infektion.
Celler är den grundläggande komponenten i levande organismer och är värd för ett antal komplexa biologiska fenomen. Forskare måste kunna studera dessa fenomen i detalj för att förstå vissa typer av störningar och sjukdomar och sedan utveckla effektiva behandlingar. Men att effektivt observera levande celler i mikro- eller nanoskala är fortfarande en utmaning. Genom att kombinera två olika mikroskopimetoder har EPFL-forskare från två olika laboratorier tillsammans utvecklat ett system som kan användas för att se levande celler i aktion med oöverträffad precision. Deras resultat visas i två artiklar:en publicerad i Nature Communications i juli och den andra publiceras idag i ACS Nano .
"De metoder som för närvarande är tillgängliga innebär många tekniska utmaningar för att observera levande celler på en sådan granulär nivå", säger Georg Fantner, chef för EPFL:s laboratorium för bio- och nanoinstrumentering (LBNI). "Tekniker som elektronmikroskopi tillåter oöverträffad upplösning av cellytan i nanoskala, men det kräver att man placerar prover under vakuum och bombarderar dem med elektroner. Levande organismer kan helt enkelt inte överleva den typen av behandling. En annan vanlig metod är fluorescensmikroskopi. Även om det låter du observerar prover utan att förstöra dem, att ha tillräcklig upplösning för att lösa den tredimensionella ytan av cellen är svårt. Dessutom kan dosen av fotoner som krävs orsaka cellskador."
EPFL-forskarna bestämde sig därför för att kombinera två komplementära mikroskopier för att observera cellytan och den molekylära aktiviteten inuti, som är minimalt invasiva för levande celler. De kopplade stokastisk optisk fluktuationsavbildning (SOFI), som kan användas för att se riktade molekyler och fenomen som förekommer inuti celler, med skanningssondmikroskopi (eller mer specifikt skanningjonkonduktansmikroskopi – SICM). Skanningssondmikroskopi innebär i allmänhet att man berör ett cellprov direkt med en sondspets för att avslöja dess yta och kartlägga dess topografi. Den mekaniska kontakten mellan provet och spetsen är dock skadlig för observationen av levande celler eftersom den stör cellernas ursprungliga tillstånd. EPFL-teamet utvecklade därför ett mikroskop där den fysiska sonden ersätts av en nanopor av glas som mäter jonflödet för att upptäcka cellytan utan kontakt.
Allt handlar om interaktion
Att kombinera dessa två metoder banar vägen för oöverträffade vetenskapliga observationer. Medan fluorescensmikroskopi ger forskare en titt in i enskilda celler, låter scanningjonkonduktansmikroskopi dem generera 3D-topografiska bilder av cellmembran. EPFL-systemet gör det därför möjligt för forskare att se det inre och yttre av celler samtidigt, vilket ger dem värdefull insikt i sambanden mellan fenomen som inträffar samtidigt på dessa två olika platser.
"En cells membran är den plats där den interagerar med sin omgivning", säger Samuel Mendes Leitão, en Ph.D. student vid LBNI som utvecklade SICM-mikroskopet. "Det är där många biologiska processer och morfologiska förändringar inträffar, som vid cellinfektion. Vårt system låter forskare analysera molekylära arrangemang inuti cellen och kartlägga hur de korrelerar med membrandynamik. Dessutom kan vi nu spåra dynamiken i detalj för temporal intervall på undersekund till dagar. Att kunna ta bilder kontinuerligt i nanoskala under långa perioder är en av de största utmaningarna inom mikroskopi av levande celler, eftersom celler är mycket känsliga för små störningar."
Förbättrad bildkvalitet
Vytautas Navikas, en Ph.D. student vid EPFL:s Laboratory of Nanoscale Biology (LBEN), utvecklade systemets optiska komponenter:"En annan fördel med att kombinera de två metoderna är att det otroligt förbättrar bildkvaliteten. Vi kan nu titta på cellulära processer med mycket högre upplösning."
EPFL-teamet tror att deras system, som kan användas för att observera fenomen som cellmotilitet, differentiering och cell-cellkommunikation, öppnar upp för många nya forskningsvägar. Det kan vara extremt användbart inom infektionsbiologi, immunologi och neurobiologi – områden där det är viktigt att förstå hur en cell reagerar i realtid på en extern stimulans.
Denna studie är också ett bra exempel på den typ av genombrott som kan ske när forskare från två olika EPFL-labb kommer i kontakt och slår samman sin expertis i strävan mot ett gemensamt mål. + Utforska vidare
