Η αναζήτηση τρόπων για να αποτυπωθεί τι συμβαίνει πραγματικά μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο έχει οδηγήσει τη βιολογική έρευνα σε δεκαετίες τεχνικών συμβιβασμών. Οι ερευνητές έπρεπε να επιλέξουν: είτε καθαρή εικόνα των μεγάλων δομών είτε λεπτομέρειες σε κλίμακα νανομέτρων, σπάνια και τα δύο ταυτόχρονα.
Τώρα, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο παρουσιάζει μια τεχνολογία που επιχειρεί να σπάσει αυτό το δίπολο. Το νέο τους μικροσκόπιο, σχεδιασμένο να συνδυάζει δύο διαφορετικές μορφές οπτικής ανίχνευσης, υπόσχεται να προσφέρει έως και δεκατέσσερις φορές μεγαλύτερο εύρος φωτεινής έντασης σε σχέση με τα υπάρχοντα συστήματα, αποκαλύπτοντας έτσι λεπτομέρειες σε πολλαπλές κλίμακες χωρίς να επιβαρύνει τα κύτταρα.
Η βασική ιδέα είναι τόσο απλή ώστε μοιάζει αυτονόητη, όμως κανείς δεν είχε καταφέρει να την υλοποιήσει με ακρίβεια. Η μικροσκοπία που βασίζεται στη διάδοση του φωτός προς τα εμπρός είναι εξαιρετική όταν πρόκειται να απεικονιστούν οργανίδια, μεμβράνες και άλλες ευδιάκριτες δομές. Το πρόβλημα εμφανίζεται όταν το αντικείμενο ενδιαφέροντος μικραίνει κάτω από τα 100 νανόμετρα. Εκεί αναλαμβάνει δράση η μικροσκοπία της ανακλώμενης ή οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας, η οποία μπορεί να εντοπίσει ακόμα και μεμονωμένα συμπλέγματα πρωτεϊνών. Το τίμημα για αυτήν την ευαισθησία είναι ένα εξαιρετικά περιορισμένο οπτικό πεδίο, ανεπαρκές για να αποτυπωθούν ταυτόχρονα μεγαλύτερες κυτταρικές διεργασίες.
Η ομάδα του Kohki Horie επιχείρησε να γεφυρώσει αυτές τις δύο τεχνικές σε μια ενιαία διάταξη. Η αυτόνομη συνύπαρξη δύο τόσο διαφορετικών οπτικών μονοπατιών απαιτούσε ακριβή χωρικό και χρονικό διαχωρισμό των σημάτων ώστε να αποφευχθεί η μεταξύ τους παρεμβολή. Ο ερευνητής Keiichiro Toda εξηγεί ότι χρειάστηκαν πολυάριθμες δοκιμές για να βρεθεί η κατάλληλη θέση κάθε φακού και κάθε καθρέφτη, καθώς και η σωστή διαδοχή αλγοριθμικών βημάτων που θα αποδομούσαν και θα ταξινομούσαν τις εικόνες. Το αποτέλεσμα αυτής της προσεκτικής μηχανικής είναι ένα ενιαίο καρέ εικόνας που περιέχει ταυτόχρονα δεδομένα από τη διάδοση προς τα εμπρός και την οπισθοσκέδαση, καθαρά και χωρίς παραμορφώσεις.
Για να αξιολογήσουν το σύστημα, οι ερευνητές παρακολούθησαν ζωντανά κύτταρα κατά την έναρξη του προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου. Σε πραγματικό χρόνο, το μικροσκόπιο κατέγραψε μεταβολές σε μεγάλες δομές – οργανίδια που άρχισαν να καταρρέουν ή να μετακινούνται – αλλά και μικροσκοπικές διακυμάνσεις που προκαλούνταν από πολύ μικρά σωματίδια. Το αξιοσημείωτο είναι ότι όλα αυτά έγιναν χωρίς καμία χρήση χρωστικών ουσιών ή φθοριζουσών ετικετών. Οι χημικές αυτές ενισχύσεις, αν και πολύτιμες σε πολλές εφαρμογές, συχνά μεταβάλλουν τη φυσιολογική συμπεριφορά του κυττάρου ή φθείρονται με το χρόνο, καθιστώντας δύσκολη την παρακολούθηση μακροχρόνιων φαινομένων.
Η νέα τεχνολογία δίνει επίσης τη δυνατότητα ακριβούς εκτίμησης του μεγέθους μιας σωματιδιακής δομής και του δείκτη διάθλασής της, μιας παραμέτρου που συνδέεται με τη σύσταση και την κατάσταση του υλικού. Αυτό σημαίνει ότι οι ερευνητές μπορούν να εξάγουν συμπεράσματα για το είδος των σωματιδίων που παρατηρούν, χωρίς να χρειάζεται να καταφύγουν σε διαφορετικές μεθόδους ταυτοποίησης. Έτσι, μειώνεται ο χρόνος ανάλυσης και αυξάνεται η ακρίβεια των μετρήσεων.
Το ενδιαφέρον τώρα στρέφεται στην επόμενη γενιά του συστήματος. Οι δημιουργοί του μικροσκοπίου θέλουν να προχωρήσουν σε ακόμα μικρότερες κλίμακες, καταγράφοντας εξαιρετικά μικρά σωματίδια όπως οι εξώσωσμοι. Ταυτόχρονα, επιδιώκουν να φωτογραφίσουν όσο πιο αναλυτικά γίνεται τις τελευταίες φάσεις της κυτταρικής ζωής, καταρτίζοντας δυναμικούς χάρτες που θα μπορούν να δείξουν πώς ακριβώς μια κυτταρική δομή καταρρέει ή πώς αντιδρά όταν εκτίθεται σε φαρμακευτικούς παράγοντες.
Αυτό το είδος πολυεπίπεδης πληροφορίας θα μπορούσε να αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμο για τη φαρμακοβιομηχανία. Η ανάπτυξη φαρμάκων απαιτεί σταθερή παρακολούθηση του τρόπου με τον οποίο τα κύτταρα ανταποκρίνονται σε ουσίες, συχνά σε πραγματικό χρόνο. Ένα εργαλείο που μπορεί να καταγράψει φυσικές αντιδράσεις χωρίς να παρεμβαίνει στη φυσιολογία του κυττάρου δίνει στους επιστήμονες τη δυνατότητα να αξιολογήσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια την αποτελεσματικότητα και την τοξικότητα των υποψήφιων θεραπειών. Το ίδιο ισχύει για τις βιοτεχνολογικές εφαρμογές, όπου η ποιότητα και η υγεία των κυττάρων πρέπει να ελέγχονται συνεχώς.
