System laserowy usprawnia mikroskopię do badania ukrytych światów komórkowych

Naukowcy z Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf oraz międzynarodowi partnerzy opracowali kompaktowy system laserowy, który może uprościć wielobarwną mikroskopię dwufotonową. Rozwiązanie umożliwia jednoczesne obrazowanie kilku struktur biologicznych lub typów komórek, co może mieć znaczenie dla badań nad tkankami, mózgiem, nowotworami i mechanizmami chorób.

W artykule

• Nowy kompaktowy ultraszybki laser światłowodowy
• Zastosowanie w wielobarwnej mikroskopii dwufotonowej
• Możliwość jednoczesnego obrazowania wielu struktur komórkowych
• Znaczenie symulacji komputerowych i światłowodu fotonicznego
• Potencjalne zastosowania w neuropatologii, onkologii i diagnostyce
• Współpraca DESY, UKE, CFEL i UVic-UCC

Nowe podejście do mikroskopii dwufotonowej

Naukowcy z Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, we współpracy z międzynarodowymi partnerami, opracowali nowy system laserowy, który może istotnie uprościć wielobarwną mikroskopię dwufotonową. Technologia opiera się na kompaktowym, ultraszybkim laserze światłowodowym i pozwala jednocześnie uwidaczniać wiele typów komórek lub struktur komórkowych. Dzięki temu możliwe staje się badanie złożonych interakcji zachodzących w tkankach.

Podejście to może znaleźć zastosowanie również w badaniach medycznych. Wyniki prac zespołu kierowanego przez naukowców z Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE) oraz DESY opublikowano w czasopiśmie Laser & Photonics Reviews.

Dlaczego mikroskopia dwufotonowa jest ważna

Mikroskopia dwufotonowa jest jednym z ważnych narzędzi współczesnych badań biomedycznych. Umożliwia uzyskiwanie wysokorozdzielczych, trójwymiarowych obrazów tkanek i struktur komórkowych.

Metoda jest szczególnie wartościowa wtedy, gdy kilka składników komórkowych można pokazać jednocześnie w różnych kolorach. W praktyce jednak taka wielobarwna mikroskopia dwufotonowa jest technicznie wymagająca, ponieważ zazwyczaj wymaga zastosowania kilku kosztownych systemów laserowych, z których każdy generuje światło o innej barwie.

Jeden laser zamiast kilku systemów

Badanie prowadzone przez dr. Andreu Matamoros-Anglesa z Instytutu Neuropatologii UKE oraz badacza DESY Marvina Edelmanna przedstawia rozwiązanie, które znacząco ogranicza tę złożoność techniczną.

Zamiast łączyć kilka laserów, opracowany system wykorzystuje jedno, światłowodowe źródło ultraszybkich impulsów laserowych. Dzięki ukierunkowanym symulacjom oraz specjalnie zaprojektowanemu układowi optycznemu naukowcom udało się precyzyjnie kształtować szerokie widmo impulsów laserowych.

W efekcie z jednego źródła można jednocześnie uzyskać kilka wyraźnie zdefiniowanych barw wzbudzenia, pozwalających na celowane badanie różnych struktur biologicznych oraz procesów dynamicznych.

Przewidywalność i praktyczne zastosowanie systemu

„System laserowy opiera się na pojedynczym laserze światłowodowym, którego widmo jest poszerzane za pomocą specjalnie opracowanego światłowodu fotonicznego. Kluczowy postęp polega na tym, że dzięki symulacjom komputerowym możemy dokładnie przewidzieć, jakie barwy wygeneruje światłowód. To sprawia, że system jest odtwarzalny i możliwy do zastosowania w praktyce” – mówi Marvin Edelmann, pierwszy autor badania, doktorant w DESY oraz w Max Planck School of Photonics.

Znaczenie dla badań nad mózgiem i nowotworami

Nowa technologia może ułatwić analizę złożonych procesów biologicznych, w których uczestniczy wiele typów komórek. Dotyczy to między innymi badań nad mózgiem, tkankami nowotworowymi oraz mechanizmami chorób.

„Ta technologia umożliwi badanie złożonych procesów biologicznych, w których uczestniczy wiele typów komórek – na przykład w mózgu lub w tkankach nowotworowych. W dłuższej perspektywie może przyczynić się do lepszego zrozumienia mechanizmów chorób i otworzyć nowe podejścia do diagnostyki oraz terapii. Takie interdyscyplinarne podejścia otwierają nowe możliwości dla badań neuropatologicznych o wysokiej rozdzielczości czasowej, które w znacznym stopniu zależą od postępów w technologii laserowej” – mówi prof. Markus Glatzel, dyrektor Instytutu Neuropatologii UKE.

Interdyscyplinarna współpraca badawcza

W projekcie uczestniczyli fizycy laserowi z Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) – wspólnej jednostki DESY, Max-Planck-Gesellschaft i Universität Hamburg – a także badacze z Instytutu Neuropatologii Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE) oraz Universitat de Vic – Universitat Central de Catalunya (UVic-UCC), którzy odpowiadali za przygotowanie próbek biologicznych i analizy.

Źródło: Laser & Photonics Reviews, Deterministic Fiber-Optic Spectral Engineering Enables Three-Color Multiplexed Two-Photon Microscopy
DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202502952