Forscher entwickeln neue Bildgebungstechnik auf Basis einer photoschaltbaren Raman-Sonde

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, biologische Proben auf mikroskopischer Ebene abzubilden, und jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Zum ersten Mal hat ein Forscherteam, darunter auch von der Universität Tokio, Aspekte von zwei der führenden Bildgebungstechniken kombiniert, um eine neue Methode zur Bildgebung und Analyse biologischer Proben zu entwickeln. Sein als RESORT bekanntes Konzept ebnet den Weg, lebende Systeme in beispielloser Detailgenauigkeit zu beobachten. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Seit die Menschheit Glas manipulieren kann, nutzen wir optische Geräte, um die mikroskopische Welt immer detaillierter zu betrachten. Je mehr wir sehen können, desto besser können wir verstehen. Daher besteht der Druck, die Werkzeuge zu verbessern, mit denen wir die Welt um uns herum und in unserem Inneren erkunden.

Moderne mikroskopische Bildgebungstechniken gehen weit über das hinaus, was herkömmliche Mikroskope bieten können. Zwei führende Technologien sind: hochauflösende Fluoreszenzbildgebung, die eine gute räumliche Auflösung bietet, und Vibrationsbildgebung, die die räumliche Auflösung beeinträchtigt, aber eine breite Palette von Farben verwenden kann, um die Markierung vieler verschiedener Bestandteile in Zellen zu unterstützen.

„Die Grenzen dieser Art von Bildgebungstechniken motivierten uns, etwas Besseres zu schaffen, und wir sind zuversichtlich, dass wir dies mit RESORT erreicht haben“, sagte Professor Yasuyuki Ozeki vom Forschungszentrum für fortgeschrittene Wissenschaft und Technologie der Universität Tokio. „RESORT steht für reversible sättigbare optische Raman-Übergänge und kombiniert die Vorteile von hochauflösender Fluoreszenz und Vibrationsbildgebung, ohne die Nachteile beider zu übernehmen. Es handelt sich um eine laserbasierte Technik, die etwas nutzt, das als Raman-Streuung bekannt ist, eine spezielle Wechselwirkung zwischen Molekülen und Licht, das hilft, unter dem Mikroskop zu identifizieren, was sich in einer Probe befindet. Wir haben erfolgreich eine RESORT-Bildgebung von Mitochondrien in Zellen durchgeführt, um die Technik zu validieren.“

Die RESORT-Bildgebung umfasst mehrere Phasen, und obwohl sie kompliziert erscheinen mag, ist die Einrichtung weniger kompliziert als die der Techniken, die sie ersetzen soll. Zunächst müssen die spezifischen Komponenten der Probe, die abgebildet werden sollen, mit speziellen Chemikalien, sogenannten photoschaltbaren Raman-Sonden, markiert oder angefärbt werden, deren Raman-Streuung durch die verschiedenen Arten von Laserlicht gesteuert werden kann, die von RESORT verwendet werden.

Als nächstes wird die Probe in ein optisches Gerät gelegt, das dazu dient, die Probe korrekt zu beleuchten und ein Bild davon zu erstellen. Dazu wird die Probe anschließend mit zweifarbigen Infrarot-Laserimpulsen zur Erkennung der Raman-Streuung, ultraviolettem Licht und einem speziellen Donut-förmigen Strahl sichtbaren Lichts bestrahlt. Zusammen begrenzen diese den Bereich, in dem Raman-Streuung auftreten kann, was bedeutet, dass die letzte Stufe, die Bildgebung, die Sonde an einem sehr präzisen Punkt erkennen kann, was zu einer hohen räumlichen Auflösung führt.

„Es geht nicht nur darum, höher aufgelöste Bilder von mikroskopischen Proben zu gewinnen; schließlich können Elektronenmikroskope diese Dinge viel detaillierter abbilden“, sagte Ozeki. „Elektronenmikroskope beschädigen oder behindern jedoch zwangsläufig die Proben, die sie beobachten. Durch die zukünftige Entwicklung, die der Palette der Raman-Sonden mehr Farben hinzufügt, wird RESORT in der Lage sein, viele Komponenten in lebenden Proben in Aktion abzubilden, um komplexe Wechselwirkungen wie nie zuvor zu analysieren.“ wird zu einem tieferen Verständnis grundlegender biologischer Prozesse, Krankheitsmechanismen und möglicher therapeutischer Interventionen beitragen.“

Das Hauptziel des Teams bestand darin, die mikroskopische Bildgebung für den Einsatz in der medizinischen Forschung und verwandten Bereichen zu verbessern. Aber die Fortschritte, die es beim Design des Lasers gemacht hat, könnten auch in anderen Laseranwendungen genutzt werden, bei denen hohe Leistung oder präzise Steuerung erforderlich sind, beispielsweise in der Materialwissenschaft.