Uimitoare prime imagini 3D de înaltă rezoluție capturate în șoareci vii

Cercetătorii au dezvoltat un sistem 3D-2PE-STED care poate imagina coloane dendritice adânc în creierul unui șoarece viu. Sistemul lor a arătat modificări subtile care au avut loc între ziua 1 și 3 (imagini rămase). Aceste modificări sunt dificil de detectat folosind doar microscopia cu doi fotoni (dreapta). Credit: Joerg Bewersdorf, Școala de Medicină Yale

Noua tehnică STED permite imagini profunde ale țesuturilor, dezvăluie dinamica subcelulară a neuronilor.

Cercetătorii au dezvoltat o nouă tehnică de microscopie care poate obține imagini 3D cu rezoluție superioară a structurilor subcelulare de la aproximativ 100 de microni adânc în interiorul țesutului biologic, inclusiv creierul. Oferind oamenilor de știință o perspectivă mai profundă asupra creierului, metoda poate ajuta la detectarea modificărilor subtile care apar în neuroni în timp, în timpul învățării sau ca rezultat al bolii.

Noua abordare este o extindere a Microscopiei de Reducere a Emisiilor Stimulate (STED), o tehnică avansată care realizează rezoluția la scară nanomodală transcendând limita tradițională de difracție a microscoapelor optice. Stefan Hell a câștigat Premiul Nobel pentru chimie pentru 2014 pentru dezvoltarea acestei tehnici de imagine cu rezoluție superioară.

ÎN OPTIC, Journal of the Optical Society (OSA) pentru cercetări cu impact ridicat, cercetătorii descriu modul în care și-au folosit noul microscop STED pentru a imagina, în super-rezoluție, structura 3D a coloanelor dendritice adânci în creierul unui șoarece viu. Spinele dentare sunt mici extensii în ramurile dendritice ale neuronilor, care primesc intrări sinaptice de la neuronii vecini. Acestea joacă un rol crucial în activitatea neuronală.

„Microscopul nostru este primul instrument din lume care realizează super-rezoluția 3D-STED adânc în interiorul unui animal viu”, a declarat liderul echipei de cercetare Joerg Bewersdorf de la Școala de Medicină Yale. Astfel de progrese în tehnologia de imagistică a țesuturilor profunde vor permite cercetătorilor să vizualizeze direct structurile subcelulare și celulele din mediul lor țesut nativ, a spus Bewersdorf. Abilitatea de a studia comportamentul celular în acest mod este esențială pentru a obține o înțelegere cuprinzătoare a fenomenelor biologice pentru cercetarea biomedicală, precum și pentru dezvoltarea farmaceutică.


Cercetătorii și-au folosit microscopul 3D-2PE-STED pentru a imagina creierul unui șoarece viu. Mărirea unei părți dendritice relevă structura 3D a unei coloane vertebrale individuale. Credit: Joerg Bewersdorf, Școala de Medicină Yale

Mergând mai adânc

Microscopia STED convențională este cel mai des utilizată pentru a imagina probe de celule cultivate. Utilizarea tehnicii pentru a imagina țesuturi groase sau animale vii este mult mai dificilă, mai ales atunci când beneficiile super rezoluției STED se extind până la a treia dimensiune pentru 3D-STED. Această limitare apare deoarece țesutul gros și optic dens împiedică lumina să pătrundă adânc și să nu se concentreze corect, afectând astfel capacitățile de super-rezoluție ale microscopului STED.

Pentru a depăși această provocare, cercetătorii au combinat microscopia STED cu excitația fotonului dublu (2PE) și optica adaptivă. „2PE permite imagistica mai profundă a țesuturilor folosind lungimi de undă în infraroșu apropiat decât lumina vizibilă”, a spus Mary Grace M. Velasco, primul autor al lucrării. “Lumina cu infraroșu este mai puțin sensibilă la împrăștiere și, prin urmare, este mai capabilă să pătrundă adânc în țesuturi.”

Cercetătorii au adăugat, de asemenea, optică adaptivă la sistemul lor. “Utilizarea opticii adaptive corectează distorsiunile sub formă de lumină, adică aberații optice, care apar atunci când imaginile sunt în și prin țesut”, a spus Velasco. „În timpul imaginilor, elementul adaptiv modifică fruntea undei luminoase în modul complet opus pe care îl face țesutul în specimen. Abaterile de la elementul adaptor anulează astfel abaterile de la țesuturi, creând condiții de imagine ideale care permit recuperarea capacităților de super-rezoluție STED în toate cele trei dimensiuni. “

Văzând schimbări în creier

Cercetătorii și-au testat tehnica 3D-2PE-STED examinând imaginea structurilor bine caracterizate din celulele cultivate pe o foaie de acoperire. Comparativ cu utilizarea doar 2PE, 3D-2PE-STED rezolvă volume de peste 10 ori mai mici. De asemenea, au arătat că microscopul lor ar putea rezolva distribuția ADN în nucleul celulelor pielii șoarecilor mult mai bine decât un microscop convențional cu doi fotoni.

După aceste teste, cercetătorii au folosit microscopul 3D-2PE-STED pentru a imagina creierul unui șoarece viu. Au mărit o porțiune a dendritelor și au rezolvat structura 3D a coloanei vertebrale individuale. Apoi au descoperit aceeași zonă două zile mai târziu și au arătat că structura coloanei vertebrale s-a schimbat cu adevărat în acest timp. Cercetătorii nu au observat nicio modificare în structura neuronilor din imaginile lor sau în comportamentul șoarecilor care ar indica deteriorarea imaginilor. Cu toate acestea, ei intenționează să studieze acest lucru mai departe.

„Coloana dendritică este atât de mică încât, fără super rezoluție, este dificil să se vizualizeze forma 3D exactă, darămite orice schimbare a acestei forme în timp”, a spus Velasco. “3D-2PE-STED oferă acum instrumentele pentru a observa aceste schimbări și pentru a face acest lucru nu numai în straturile superficiale ale creierului, ci și mai adânc în interior, unde apar conexiuni mai interesante.”

Referință: „3D Deep Tissue 3D Images in Live Mice” de Mary Grace M. Velasco, Mengyang Zhang, Jacopo Antonello, Peng Yuan, Edward S. Allgeyer, Dennis May, Ons M’Saad, Phylicia Kidd, Andrew ES Barentine, Valentina Greco , Jaime Grutzendler, Martin J. Booth și Joerg Bewersdorf, 25 martie 2021, OPTIC.
DOI: 10.1364 / OPTICA.416841

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.