Fysici van de TU Delft hebben een nieuwe microscopietechniek ontwikkeld waarbij ultrageluid wordt gebruikt. Daardoor worden haarvaten en cellen in levende organen zichtbaar. Voorheen was het nog niet mogelijk om dit goed in beeld te krijgen. De sleutel tot deze innovatie in echografie - een methode die Nonlinear sound sheet microscopy heet - was de ontdekking van een geluid reflecterende sonde die is ontwikkeld in het Shapiro Lab van Caltech.
Baptiste Heiles vertelt dat deze sonde een met gas gevuld blaasje op nanoschaal is dat oplicht in echobeelden waardoor cellen zichtbaar worden. “Deze blaasjes hebben een omhulsel van eiwitten en we kunnen ze zo ontwerpen dat we hun helderheid in beelden kunnen afstemmen. We hebben deze gasblaasjes gebruikt om kankercellen te volgen”, voegt Heiles toe. Het onderzoek is gepubliceerd in Science.
Echografie is een van de meest gebruikte beeldvormingstechnieken in de geneeskunde. Maar, tot voor kort speelde die techniek nauwelijks een rol bij het in beeld brengen van de kleinste structuren in ons lichaam, zoals cellen. Echoscopie is een klinische toepassing van ultrageluid die real-time beelden van lichaamsdelen maakt. Voorbeelden hiervan zijn echo’s die tijdens de zwangerschap worden gemaakt. Op die manier kunnen er diagnoses worden vastgesteld voor verschillende ziektes of kan de ontwikkeling van de baby worden gevolgd. Maar wat op microscopisch niveau gebeurt, blijft verborgen. Daarin moet de nieuwe techniek verandering gaan brengen.
Levende cellen in 3D
Een team van wetenschappers van de TU Delft, het Nederlands Herseninstituut en Caltech is erin geslaagd om specifiek gelabelde cellen in 3D in beeld te brengen met ultrageluid. Deze techniek heet light sheet microscopy. De methode kan alleen doorzichtige of dunne monsters in beeld brengen, omdat licht niet dieper dan 1 millimeter in ondoorzichtig weefsel kan doordringen. “Ultrageluid kan tot centimeters diep in ondoorzichtig zoogdierweefsel kijken, waardoor niet-invasieve beeldvorming van hele organen mogelijk is. Dit geeft ons informatie over hoe cellen zich in hun natuurlijke omgeving gedragen, iets wat methoden op basis van licht niet kunnen in grotere, levende weefsels”, zegt hoofdonderzoeker David Maresca.
Voor het eerst hebben ze levende cellen in hele organen afgebeeld in een volume zo groot als een suikerklontje. Heiles vertelt dat bij de huidige lichtmicroscopen vaak niet-levende monsters voor de beeldvorming worden gebruikt. Het relevante monster of orgaan moet dan worden verwijderd en verwerkt. Daardoor kan de activiteit van cellen in de loop van de tijd niet worden gevolgd.
Naast cellen heeft het team onderzoekers ook haarvaten in de hersenen in beeld gebracht met ultrageluid. Daarvoor gebruikten ze microbellen als sondes die in de bloedbaan circuleren. Heiles vertelt dat zover zij weten nonlinear sound sheet microscopy de eerste techniek is die de haarvaten in levende hersenen kan weergeven. Deze uitkomst van het onderzoek heeft enorme potentie om zogeheten small vessel diseases bij patiënten vast te stellen. Aangezien microbellen al zijn goedgekeurd voor gebruik bij mensen, kan deze techniek binnen enkele jaren in ziekenhuizen worden toegepast.
Potentie voor kankeronderzoek
Buiten de klinische praktijk kan sound sheet microscopy ook een grote bijdrage leveren aan biologisch onderzoek en in het bijzonder aan de ontwikkeling van nieuwe kankerbehandelingen, aldus Maresca. De beeldvormingstechniek kan gezond weefsel van kankerweefsel onderscheiden. Bovendien kan het de necrotische kern van een tumor laten zien. Dat is het centrum van de tumor waar cellen beginnen af te sterven door een gebrek aan zuurstof. Dit inzicht kan dus helpen om de voortgang van kanker en de reactie op behandelingen te volgen.
Onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv hebben onlangs een AI-gedreven methode ontwikkeld die helpt te begrijpen hoe cellen zich aanpassen aan veranderende biologische omgevingen, zoals die in tumorweefsel. Deze innovatieve benadering biedt meer inzicht in het effect van medicatie op cellen en kan de manier waarop we ziekten begrijpen en behandelen verbeteren.
