צוות חוקרים בראשות אנה-קארין גוסטבסון מאוניברסיטת רייס פיתח פלטפורמת הדמיה חדשנית שמבטיחה לשפר את ההבנה שלנו לגבי מבנים תאיים בקנה מידה ננומטרי. פלטפורמה זו, הנקראת soTILT3D עבור גיליון אור מוטה חד-אובייקטיבי עם פונקציות התפשטות נקודות תלת-ממדיות (PSFs), מציעה התקדמות משמעותית במיקרוסקופיה ברזולוציית-על, המאפשרת הדמיה תלת-ממדית מהירה ומדויקת של מבנים תאיים מרובים, בעוד שהסביבה החוץ-תאית ניתנת לשליטה ובהתאמה גמישה. . המחקר פורסם לאחרונה ב תקשורת טבע.
לימוד תאים בקנה מידה ננו מספק תובנות לגבי המנגנונים המורכבים המניעים את ההתנהגות הסלולרית, ומאפשר לחוקרים לחשוף פרטים החיוניים להבנת בריאות ומחלות. פרטים אלה יכולים לחשוף כיצד אינטראקציות מולקולריות תורמות לתפקודים התאיים, דבר שהוא קריטי לקידום טיפולים ממוקדים והבנת פתוגנזה של המחלה.
בעוד שמיקרוסקופיה פלואורסצנטית קונבנציונלית הייתה שימושית לחקר מבנים תאיים, היא הוגבלה על ידי עקיפה של אור, והגבילה את יכולתו לפתור תכונות קטנות מכמה מאות ננומטרים. יתרה מכך, בעוד שמיקרוסקופיה בעלת רזולוציית-על של מולקולה בודדת סיפקה תובנות פורצות דרך לגבי מבנים ביולוגיים בקנה מידה ננו-מטרי, טכניקות קיימות סובלות לעיתים קרובות מקרינת רקע גבוהה ומהירויות הדמיה איטיות, במיוחד כאשר עוסקים בדגימות עבות או צבירי תאים מורכבים. בדרך כלל אין להם שליטה מדויקת ומתכווננת של סביבת המדגם.
פלטפורמת soTILT3D נותנת מענה ישיר לאתגרים הללו. על ידי שילוב סינרגיסטי של יריעת אור זוויתית, מערכת מיקרו-נוזלית עם הדפסת ננו וכלים חישוביים מתקדמים, soTILT3D משפרת באופן משמעותי את הדיוק והמהירות של ההדמיה, ומאפשרת הדמיה ברורה יותר של האופן שבו מבנים תאיים שונים מתקשרים בקנה מידה ננו-; אפילו בדגימות מאתגרות קונבנציונליות.
מַפְתֵחַ חידושים
פלטפורמת soTILT3D משתמשת בגיליון אור מוטה עם מטרה אחת כדי להאיר באופן סלקטיבי פרוסות דקות של דגימה, תוך שיפור יעיל של הניגודיות על ידי הפחתת הקרינה של רקע מאזורים לא ממוקדים, במיוחד בדגימות ביולוגיות עבות כגון תאי יונקים.
"גיליון האור נוצר באמצעות אותה עדשת אובייקטיבית המשמשת במיקרוסקופ להדמיה, והיא ניתנת לכיוון מלא, מנוהלת כדי להסיר חפצי הצללה הנפוצים במיקרוסקופיה של גיליונות אור ובזווית כדי לאפשר הדמיה כל הדרך עד לכיסוי הכיסוי, "אמר גוסטבסון, עוזר פרופסור לכימיה ברייס והמחבר המקביל של המחקר. "זה מאפשר לנו לצלם דוגמאות שלמות מלמעלה למטה עם דיוק משופר."
הפלטפורמה משלבת גם מערכת מיקרופלואידית מעוצבת בהתאמה אישית עם מיקרו-מראה מתכתית משובצת הניתנת להתאמה אישית, המאפשרת שליטה מדויקת על הסביבה החוץ-תאית ומאפשרת החלפת פתרונות מהירה, שהיא אידיאלית להדמיה מרובה-מטרות רציפה ללא קיזוז צבע ובמקביל מאפשרת גם השתקפות האור. גיליון לתוך המדגם.
"ניתן להתאים בקלות את העיצוב והגיאומטריה של השבב המיקרו-נוזלי וההוספה עם הדפסת ננו עם המיקרו-מראה לדגימות שונות וקשקשי אורך, ולספק צדדיות במערכים ניסויים שונים", אמרה נהימה סאליבה, מחברת המאמר הראשונה יחד עם סטודנטית לתואר שני גבריאלה. Gagliano, המזוהה גם עם מכון Smalley-Curl והתוכנית לתואר שני בפיזיקה יישומית ברייס.
בנוסף, soTILT3D ממנפת כלים חישוביים כגון למידה עמוקה לניתוח של ריכוזי פלואורופור גבוהים יותר לשיפור מהירות הדמיה ואלגוריתמים לתיקון סחיפה בזמן אמת, המאפשרים הדמיה יציבה ודיוק גבוה לאורך פרקי זמן ממושכים.
הנדסת ה-PSF של הפלטפורמה מאפשרת הדמיה תלת מימדית של מולקולות בודדות, בעוד למידה עמוקה מטפלת בתנאי פולט צפופים שאלגוריתמים קונבנציונליים מתקשים איתם, מה שמשפר משמעותית את מהירות הרכישה."
נהימה סאליבה, אוניברסיטת רייס
ההתקן המיקרופלואידי של SoTILT3D תומך גם בהדמיה אוטומטית של Exchange-PAINT, המאפשר להמחיש מטרות שונות ברצף ללא קיזוז הצבע הנפוצים בגישות רב-צבע בעת הדמיה מעמיקה בקנה מידה ננו.
פורץ דרך תוצאות
פלטפורמת soTILT3D הפגינה שיפורים מדהימים בדייקנות ובמהירות ההדמיה. גיליון האור הזוויתי של הפלטפורמה משפר את יחס האות לרקע עבור הדמיה סלולרית עד פי שישה בהשוואה לשיטות תאורה אפי מסורתיות, משפר את הניגודיות ומאפשר לוקליזציה מדויקת בקנה מידה ננו.
"רמת פירוט זו חושפת היבטים מורכבים של ארכיטקטורת תאים תלת-ממדיים, שבאופן מסורתי היה קשה לצפות בהם בגישות קונבנציונליות", אמר Gagliano.
במונחים של מהירות, soTILT3D מספק עלייה של פי עשרה בשילוב עם צפיפות פולטים גבוהה וניתוח למידה עמוקה, מה שמאפשר לחוקרים ללכוד תמונות מפורטות של מבנים מורכבים כמו הלמינה הגרעינית, המיטוכונדריה וחלבוני קרום התא על פני תאים שלמים בשבריר מהזמן הרגיל . בנוסף, הפלטפורמה תומכת בהדמיה מרובת מטרות תלת-ממדית מדוייקת של תאים שלמים, לוכדת את ההפצות של חלבונים מרובים בתוך תא שלם ומדידת מרחקים ננומטריים ביניהם. חוקרים יכולים כעת לדמיין את הסידור המרחבי של חלבונים הממוקמים קרוב כמו חלבוני lamina גרעיניים lamin B1 ו-lamin A/C וחלבון 2 הקשור ל-lamina בדייקנות ובדיוק יוצאי דופן, ומציעים תובנות חדשות לגבי ארגוני חלבון ותפקידם בוויסות תפקוד התא.
רָחָב יישומים בביולוגיה ורפואה
פלטפורמת soTILT3D פותחת אפשרויות חדשות לחוקרים בתחומים שונים. יכולתו לצלם דגימות מורכבות, כולל אגרגטים של תאי גזע, מרחיבה את היישום שלה מעבר לתאים בודדים. התאימות הביולוגית של המערכת המיקרופלואידית הופכת אותה למתאימה להדמיה של תאים חיים, ומאפשרת למדענים לחקור תגובות סלולריות לגירויים שונים בזמן אמת עם נזק צילום מופחת. תכונת החלפת הפתרונות המבוקרת שלו הופכת גם את soTILT3D לכלי אידיאלי לבדיקת כיצד טיפולים תרופתיים משפיעים על תאים בזמן אמת.
"המטרה שלנו עם soTILT3D הייתה ליצור כלי הדמיה גמיש שמתגבר על מגבלות של מיקרוסקופיה מסורתית ברזולוציית על", אמר גוסטבסון. "אנו מקווים שההתקדמות הללו ישפרו את הלימודים בביולוגיה, ביו-פיזיקה וביו-רפואה, כאשר אינטראקציות מורכבות בננומטריות הן המפתח להבנת תפקוד התא בבריאות ובפתוגנזה."
