Ha valaha is érdekelt, hogyan működnek a gyógyszerek, hogyan halnak meg a sejtek vagy hogyan terjednek a vírusok, akkor ez a hír neked szól. Egy új mikroszkóppal ugyanis most először lehet egyszerre látni a sejt nagyobb szerkezeteit és az apró nanorészecskéket élő állapotban, ráadásul festékek vagy címkék nélkül, amelyek eddig gyakran megterhelték vagy torzították a vizsgált sejteket.
Miért kellett eddig választani a nagy és a kicsi között?
A modern biológia két fő, címkézés nélküli mikroszkópos módszerre támaszkodott az elmúlt évtizedekben – mindkettő erős, de korlátozott eszköz. Az egyik a kvantitatív fáziskontraszt mikroszkópia (QPM), amely a sejten áthaladó fényt vizsgálja. Ez remekül mutatja meg az egész sejtet és nagyobb belső részeit, akár 100 nanométeres felbontásig. Láthatod az alakzatokat, az organellumokat és a sejt általános formáját, de az ennél kisebb részletek már eltűnnek a háttérben.
A másik módszer az interferometrikus szórásmikroszkópia (iSCAT), ami teljesen másképp működik: azt figyeli, hogy a fény hogyan verődik vissza egészen apró objektumokról – akár egyetlen fehérjemolekuláról is. Ezzel képes vagy követni egyetlen nanorészecske mozgását a sejt belsejében. Csakhogy itt az ár az volt, hogy elveszíted az egész sejt kontextusát: nem látod, hogyan mozog ez a részecske a teljes sejtarchitektúrában.
Szóval eddig vagy nagyban néztél, vagy nagyon közelről – de egyszerre mindkettő nem ment.
Két irányból érkező fény – egy új megközelítés
A Tokiói Egyetem kutatói – Kohki Horie, Keiichiro Toda, Takuma Nakamura és Takuro Ideguchi – feltettek egy egyszerű kérdést: mi lenne, ha egyszerre rögzítenénk a fény előre és hátrafelé szóródó komponenseit? A válaszuk egy olyan új mikroszkóp lett, amely egyetlen képen rögzíti mindkét irányból érkező fényt, majd okos számítógépes módszerekkel különválasztja őket.
Ez az eszköz tizenötszörösére növeli azt az intenzitástartományt, amit egy hagyományos kvantitatív fázismikroszkóp képes kezelni. Ennek köszönhetően ugyanaz a kamera képes egyszerre érzékelni az apró nanorészecskék gyenge jelét és a nagyobb struktúrák erős visszaverődését anélkül, hogy egyik elnyomná a másikat.
A technika lelke egy precíz optikai kialakítás és kifinomult számítástechnikai eljárás. A kutatócsoport úgy kódolja az előre- és hátrafelé haladó fény információit egyetlen érzékelőre, majd egy speciális rekonstrukciós módszerrel választja szét őket úgy, hogy közben minimálisra csökkenti a zajt. Ahogy Toda fogalmazott: „A legnagyobb kihívásunk az volt, hogy tisztán elkülönítsük ezt a kétféle jelet egyetlen képből úgy, hogy ne keveredjenek össze és ne nőjön meg jelentősen a zaj.”
Mivel ez a módszer nem igényel fluoreszcens címkéket vagy festékeket, nem kell idegen anyagokat juttatni a sejtekbe. Így hosszabb ideig lehet őket megfigyelni anélkül, hogy aggódnánk a károsodás miatt.
Élő sejtek haldoklás közben – drámai teszt
Hogy bebizonyítsák az új mikroszkóp valódi erejét minden méret- és időskálán, a kutatócsoport egy igazán látványos tesztet választott: élő sejteket figyeltek meg haldoklásuk folyamatában. Toda így mesélte el nekünk:
„Mikroszkopikus szinten követtük nyomon a belső struktúrák mozgását és alakváltozásait. Láttuk, hogyan tolódnak el nagyobb komponensek, hogyan változnak meg határok és hogyan omlik össze lassan a sejt belső tájképének rendje. Ugyanakkor nanométeres részecskéket is követtünk: ezek apró pöttyök remegtek és sodródtak, viselkedésük pedig változott ahogy romlott a sejt állapota.”
A kutatók összevetették az előre- és hátrafelé szóródó fényt minden részecskéről, így becslést tudtak adni azok méretére és törésmutatójára is. Ez utóbbi azt mutatja meg, mennyire hajlítja meg egy részecske a fényt – ami sokat elárul összetételéről. Egyszerűbben fogalmazva: nem csak azt látjuk meg, hogy ott van-e egy részecske; azt is megtudjuk róla valamit, hogy milyen lehet.
Kohki Horie szerint ez az eszköz közelebb visz minket ahhoz az álomhoz, hogy nem invazív módon értsük meg az élő sejtek dinamikus folyamatait.
Sejtektől vírusokig – mi jöhet még?
Bár jelenleg már nagyon apró részleteket is képesek érzékelni ezzel az új mikroszkóppal, a kutatók már most kisebbre szeretnének fókuszálni. Toda elmondta: következő céljuk exoszómák és vírusok vizsgálata lesz – ezek kulcsfontosságú hírvivők testünkben és fontos szereplők számos betegségben. Ám természetes állapotukban nehéz őket megfigyelni.
Ezen túlmenően tervezik azt is feltérképezni részletesebben, hogyan haladnak végig a sejtek azon az úton, amely végül halálhoz vezet. Különböző körülményeket változtatva és eredményeiket más módszerekkel összevetve szeretnék feltárni azt az eseménysorozatot, amely egészséges sejtből leálló sejtet csinál.
Mivel ez egy gyengéd és címkézés nélküli módszer, kiválóan alkalmas hosszú távú megfigyelésekre is. Elképzelhető például olyan alkalmazás is, ahol csendben futtatják ezt az eszközt miközben sejtek nőnek, osztódnak vagy reagálnak gyógyszerekre – így egyszerre lehet követni finom változásokat és hirtelen összeomlásokat.
Gyakorlati hasznok: gyógyszerfejlesztéstől diagnosztikáig
Ez az új mikroszkóp komoly áttörést hozhat például gyógyszerfejlesztésben. Ha egyszerre látod nagy szerkezetek és apró részecskék reakcióját egy új vegyületre élő sejtben, sokkal mélyebb képet kapsz arról, hogyan működik valójában ez a vegyület. Ez segíthet korábban kiszúrni mellékhatásokat vagy finomhangolni kezeléseket még mielőtt azok betegekhez kerülnének.
A gyógyszeriparban és biotechnológiában jobb tesztelést és minőségellenőrzést is támogathat ez az eszköz. Hosszú távú címkézés nélküli megfigyelés révén ellenőrizhetővé válik például sejtes alapú termékek viselkedése anélkül, hogy festékekkel kellene beavatkozni – ami növelheti ezek biztonságát és megbízhatóságát (például sejtes terápiák vagy mesterséges szövetek esetén).
Az alapkutatás számára pedig új ablak nyílik ezzel az eszközzel: olyan folyamatokat lehet majd valós időben tanulmányozni együtt – mint vírusfertőzés menete, immunválaszok alakulása vagy programozott sejthalál –, amelyek eddig külön-külön voltak csak jól követhetők.
Ha pedig sikerül exoszómákra és vírusokra is kiterjeszteni ezt a technológiát (ahogy tervezik), akkor akár korai betegségek felismerésében is segíthet majd. Ezek az apró részecskék ugyanis testünk mélyéből hordoznak információkat arról, mi zajlik bennünk – ha rutinszerűen mérhetővé válik méretük és optikai tulajdonságaik alapján történő elemzésük, új diagnosztikai eszközök születhetnek.
Összegzés
A Tokiói Egyetem kutatóinak új mikroszkópja alapjaiban változtathatja meg azt, ahogyan élő sejtek belsejét vizsgáljuk. A kétirányú fénygyűjtés révén most először láthatjuk egyszerre mindazt nagyban és kicsiben anélkül, hogy bármilyen mesterséges címkével beavatkoznánk.
Ez nemcsak tudományos áttörés: gyakorlati haszna lehet gyógyszerfejlesztésben, diagnosztikában és biotechnológiában is. És bár még csak most kezdjük kibontani ennek lehetőségeit, már most látszik: ez lesz az egyik legfontosabb eszköz azok számára, akik tényleg bele akarnak látni abba az izgalmas világba, ami minden élő sejt mélyén zajlik.
