De eerste microscoop ter wereld die biologische processen live in beeld kan brengen, staat in Nijmegen. Met de microscoop kunnen zeer gedetailleerde beelden worden gemaakt; zelfs bewegende eiwitcomplexen zijn zichtbaar. De nieuwe microscopische techniek is ontwikkeld door onderzoekers onder leiding van Nico Sommerdijk van het Radboudumc. Het onderzoek is gepubliceerd in Advanced Functional Materials.
In het verleden was het zo dat onderzoekers moest kiezen hoe ze materiaal wilden bekijken. Als ze tot op het niveau van moleculen heel gedetailleerd naar materiaal wilden kijken, kon dat alleen in bevroren toestand en dus met stilstaand materiaal. Als ze naar levend en bewegend materiaal wilden kijken, kon dat wel maar dan in veel minder detail dan bij de nieuwe microscoop.
Nieuwe techniek
Onderzoekers van het Radboudumc hebben nu een techniek ontwikkeld die een combinatie mogelijk maakt. Dat biedt allerlei nieuwe mogelijkheden, zoals kijken hoe het coronavaccin een cel binnendringt of het in beeld brengen van de eerste stappen van aderverkalking.
Om de nieuwe techniek te ontwikkelen waren er veel uitdagingen voor het onderzoeksteam. “Als je zo gedetailleerd wilt kijken dat je eiwitcomplexen ziet, dan heb je een zogenaamde elektronenmicroscoop nodig”, vertelt Nico Sommerdijk, hoogleraar Botbiochemie van het Radboudumc. De elektronenstraal die daarbij wordt gebruikt beschadigt volgens Sommerdijk het biologische materiaal en de vloeistof daaromheen. Dat is niet wenselijk als je de natuurlijke processen in het materiaal wilt bekijken gedurende langere tijd.
Race tegen de klok
De oplossing tegen het beschadigen van materiaal en vloeistof door de elektronenstraal is om een beschermende laag aan te brengen rondom het materiaal. Sommerdijk legt uit dat dat met grafeen kan, een supersterke stof die bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Hij legt ook uit dat zodra je dat aanbrengt, begint direct het biologische proces dat je eigenlijk in beeld wilt brengen. Dan moet razendsnel met de microscoop nodig de juiste plek in het weefsel worden gevonden en de microscoop goed worden ingesteld. Volgens Sommerdijk duurt dat minstens een half uur en is het biologisch proces soms al voorbij.
Sommerdijk en zijn team verzonnen een methode waarmee ze al deze uitdagingen tackelen. Ze brengen een laagje grafeen aan rondom het weefsel en vriezen het dan direct in, zodat biologische processen in de pauzestand gaan. Vervolgens zoeken ze met een lichtmicroscoop de plek in het weefsel die ze in beeld willen brengen. Pas als de juiste plaats is bepaald, gaat het materiaal in de nieuwe elektronenmicroscoop die vervolgens de metingen in vloeistof kan doen.
Aderverkalking in beeld
Eenmaal in de elektronenmicroscoop wordt het materiaal weer opgewarmd en komende biologische processen weer op gang. Dat wordt in beeld gebracht op een schaal van enkele nanometers. Als voorbeeld van wat de nieuwe techniek in kaart kan brengen, laat Sommerdijk met zijn team zien hoe calcium neerslaat in een vorm die mogelijk verkalking veroorzaakt van de aders en aortaklep.
Promovendus Luco Rutten legt uit dat als er te veel calciumfosfaat in het bloed zit een bepaald eiwit in het lichaam daaraan binden en kan voorkomen dat het neerslaat. De nieren ruimen het vervolgens op. Onder de microscoop is te zien dat die eiwitten met calciumfosfaat bolletjes gaan vormen die nog kunnen worden afgebroken. Maar wanneer die bolletjes groter groeien, dan verandert het calciumfosfaat in kalk dat niet meer afgebroken wordt. Rutten legt uit dat dat mogelijk verkalking in het lichaam veroorzaakt.
Hersenen
Voor een verkalkte aortaklep is momenteel nog geen behandeling mogelijk, anders dan de hele klep vervangen. Sommerdijk vertelt dat dat hij het proces beter in beeld wil gaan brengen met de nieuwe microscoop en daarvoor recent een ERC Advanced subsidie kreeg. In dit project gaat hij een hartklep op een chip ontwikkelen. In eerste instantie is dit een model voor een gezonde klep, waarin hij vervolgens verkalking introduceert. Dit project gaat van start in 2025. Onlangs zijn onderzoekers van Cornell University erin geslaagd om geavanceerde beeldvormingstechnologie te ontwikkelen die een ongekende diepe en brede visualisatie van hersenactiviteit met eencellige resolutie mogelijk maak.
