Eine neue Ära der Bildgebung bricht an: Ingenieure der Boston University entwickeln bahnbrechende Mikroskopie-Techniken
Forscher erzielten bedeutende Fortschritte auf dem Gebiet der Vibrationsbildgebung
Wenn Mikroskope Schwierigkeiten haben, schwache Signale zu erkennen, ist das so, als würde man versuchen, feine Details in einem Gemälde oder einer Fotografie ohne Brille zu erkennen. Für Forscher wird es dadurch schwierig, die kleinen Dinge zu erkennen, die in Zellen oder anderen Materialien passieren. In einer neuen Forschungsarbeit entwickeln Dr. Ji-Xin Cheng, Professor am Moustakas-Lehrstuhl für Photonik und Optoelektronik an der Boston University, und seine Mitarbeiter fortschrittlichere Techniken, mit denen Mikroskope winzige Probendetails besser erkennen können, ohne dass spezielle Farbstoffe benötigt werden. Ihre Ergebnisse, die in Nature Communications bzw. Science Advances veröffentlicht wurden, helfen Wissenschaftlern, ihre Proben einfacher und genauer zu visualisieren und zu verstehen.
In dieser Frage- und Antwortrunde geht Dr. Cheng, der auch als Professor in mehreren Abteilungen der BU tätig ist - biomedizinische Technik, Elektro- und Computertechnik, Chemie und Physik - auf die in den beiden Forschungsberichten aufgedeckten Erkenntnisse ein. Er hebt die Arbeiten hervor, die er und sein Team derzeit durchführen, und vermittelt ein umfassendes Verständnis dafür, wie sich diese Entdeckungen auf das Gebiet der Mikroskopie auswirken und potenziell künftige wissenschaftliche Anwendungen beeinflussen könnten.
Sie und Ihre Forscherkollegen haben kürzlich zwei Artikel über Mikroskopie in Nature Communications und Science Advances veröffentlicht. Was sind die wichtigsten Ergebnisse der beiden Veröffentlichungen?
Diese beiden Artikel befassen sich mit einer grundlegenden Herausforderung auf dem aufstrebenden Gebiet der Vibrationsbildgebung, die ein neues Fenster für die Lebens- und Materialwissenschaften öffnet. Die Herausforderung besteht darin, die Nachweisgrenze so zu verschieben, dass die Vibrationsbildgebung genauso empfindlich ist wie die Fluoreszenzbildgebung, so dass wir Zielmoleküle in sehr niedrigen Konzentrationen (mikromolar bis nanomolar) ohne Farbstoffe sichtbar machen können. Unsere Innovation zur Bewältigung dieser grundlegenden Herausforderung besteht darin, die photothermische Mikroskopie zum Nachweis der chemischen Bindungen in einer Probe einzusetzen. Nach Anregung der Schwingungen chemischer Bindungen wird die Energie schnell in Wärme umgewandelt, was zu einem Temperaturanstieg führt. Dieser photothermische Effekt kann mit einem Sondenstrahl gemessen werden, der durch den Fokus läuft.
Unsere Methode unterscheidet sich grundlegend von der kohärenten Raman-Streuungsmikroskopie, einer Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsplattform für Vibrationen, die ich in meinem Wissenschaftsbericht 2015 beschrieben habe. Gemeinsam haben wir eine neue Klasse chemischer Bildgebungswerkzeuge geschaffen, die als Vibrations-Photothermal-Mikroskopie oder VIP-Mikroskopie bezeichnet wird. In der Veröffentlichung in Nature Communications haben wir ein photothermisches Weitwinkelmikroskop im mittleren Infrarotbereich entwickelt, um den chemischen Inhalt eines viralen Signalpartikels sichtbar zu machen. In Science Advances haben wir ein neuartiges photothermisches Mikroskop für Vibrationen entwickelt, das auf dem stimulierten Raman-Prozess basiert.
Gab es unerwartete oder überraschende Ergebnisse in einem der beiden Artikel? Wenn ja, wie stellen diese Ergebnisse bestehendes Wissen oder Theorien zur Mikroskopie in Frage?
Die Entwicklung der SRP-Mikroskopie war unerwartet. Wir hatten nie geglaubt, dass der Raman-Effekt stark genug für die photothermische Mikroskopie ist, aber im August 2021 änderte sich unser Denken. Um meinen 50. Geburtstag zu feiern, organisierten meine Studenten und ich eine Party unter dem Motto Sport. Während der Feierlichkeiten verletzte sich Yifan Zhu, der Erstautor des Science Advances-Artikels, unglücklicherweise, so dass sein Arzt ihm eine zweimonatige Bewegungseinschränkung empfahl. Während seiner Genesung bat ich ihn, eine Berechnung des Temperaturanstiegs im Fokus eines SRS-Mikroskops (stimulierte Raman-Streuung) durchzuführen. Durch diesen Unfall fanden wir einen starken stimulierten Raman-Photothermie-Effekt (SRP). Yifan und andere Studenten verbrachten dann zwei Jahre mit der Entwicklung. Auf diese Weise wurde die SRP-Mikroskopie erfunden.
Wurden in den Arbeiten irgendwelche Einschränkungen oder Lücken in den Ergebnissen festgestellt? Wie könnten sich diese Einschränkungen auf die Gesamtauswirkungen der Forschung auswirken?
Gewiss, nichts ist perfekt. Bei der Verfolgung der SRP-Mikroskopie haben wir festgestellt, dass jeder Strahl eine Absorption aufweisen kann, die einen schwachen nicht-ramanischen Hintergrund im SRP-Bild verursacht. Wir entwickeln eine neue Methode, um diesen Hintergrund zu entfernen.
Ergänzen oder widersprechen die Erkenntnisse der einen Arbeit den Erkenntnissen der anderen? In welchem Verhältnis stehen sie zueinander?
Die Methoden, über die in diesen beiden Arbeiten berichtet wird, ergänzen sich gegenseitig. Die WIDE-MIP-Methode eignet sich gut für die Erkennung von IR-aktiven Bindungen, während die SRP-Methode empfindlich für Raman-aktive Bindungen ist.
Zeigen die Arbeiten neue Wege für die künftige Mikroskopieforschung auf, die langfristig von Bedeutung sein könnten?
Ja, in der Tat. Beide Arbeiten zusammen weisen auf eine neue Klasse der chemischen Mikroskopie hin, die als photothermische Vibrationsmikroskopie oder VIP-Mikroskopie bezeichnet wird. Die VIP-Mikroskopie bietet eine sehr empfindliche Methode zur Untersuchung spezifischer chemischer Bindungen; so können wir damit Moleküle in sehr geringen Konzentrationen ohne Farbstoffmarkierung abbilden.
Sind diese Bildgebungstechnologien derzeit verfügbar oder werden sie von anderen Forschern außerhalb Ihres Labors verwendet?
Wir haben für beide Technologien über das Büro für Technologieentwicklung der Universität vorläufige Patente angemeldet. Mindestens zwei Unternehmen sind an der Kommerzialisierung der SRP-Technologie interessiert, und eines dieser Unternehmen ist auch an der WIDE-MIP-Technologie interessiert.
Wer sind Ihre wichtigsten Forschungspartner?
In der WIDE-MIP-Studie werden die Virusproben von John Connor, einem außerordentlichen Professor für Mikrobiologie an den National Emerging Infectious Diseases Laboratories der BU, bereitgestellt. Die WIDE-MIP-Technologie wurde in Zusammenarbeit mit Selim Ünlü entwickelt, einem Professor für Elektro- und Computertechnik am College of Engineering der BU. Es handelt sich also um eine gemeinschaftliche Arbeit innerhalb der Boston University.
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