Kompaktowy mikroskop Lightweaver pozwala zobaczyć procesy zachodzące wewnątrz żywych komórek

Naukowcy z Universität Bielefeld opracowali kompaktowy mikroskop fluorescencyjny Lightweaver, który umożliwia obrazowanie struktur mniejszych niż klasyczna granica rozdzielczości światła. Urządzenie ma zapewniać ponad dziesięciokrotnie większe pole widzenia niż dotychczas stosowane rozwiązania, zachowując wysoką szybkość obrazowania. Twórcy technologii przygotowują się do założenia start-upu i wprowadzenia mikroskopu na rynek, licząc na jego zastosowanie w badaniach biomedycznych, farmacji oraz medycynie spersonalizowanej.

W artykule:

• Na czym polega technologia mikroskopu Lightweaver
• Jak strukturyzowane oświetlenie zwiększa rozdzielczość obrazu
• Dlaczego duże pole widzenia ma znaczenie w badaniach komórkowych
• Możliwe zastosowania w farmacji i medycynie spersonalizowanej
• Dotychczasowe badania nad komórkami wątroby
• Plany założenia start-upu i komercjalizacji technologii

Kompaktowy system do mikroskopii superrozdzielczej

Zespół badawczy z Universität Bielefeld opracował kompaktowy mikroskop, który ma umożliwiać obserwowanie procesów biologicznych dotychczas trudnych lub niemożliwych do zobrazowania przy użyciu standardowych technik mikroskopowych. Urządzenie o nazwie Lightweaver jest przygotowywane do komercjalizacji przez zespół kierowany przez dr. Henninga Ortkraßa i dr. Marcela Müllera.

Naukowcy planują w najbliższym czasie założyć start-up, którego zadaniem będzie dalszy rozwój technologii oraz wprowadzenie mikroskopu na rynek. Projekt otrzymał 1,15 mln euro finansowania z programu EXIST-Forschungstransfer prowadzonego przez Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Jak wyjaśnia dr Henning Ortkraß, Lightweaver jest złożonym systemem obejmującym elementy optyczne, mechaniczne i elektroniczne. Jedną z jego najważniejszych cech ma być możliwość uzyskania ponad dziesięciokrotnie większego pola widzenia niż w przypadku dotychczasowych systemów mikroskopii superrozdzielczej.

Ortkraß od lat zajmuje się fotoniką stosowaną i mikroskopią fluorescencyjną o rozdzielczości przekraczającej klasyczne ograniczenia optyczne. Obecnym celem siedmioosobowego zespołu jest przekształcenie demonstratora technologii w prototyp nadający się do testowania w rzeczywistych warunkach laboratoryjnych.

Obrazowanie procesów zachodzących na poziomie subkomórkowym

Lightweaver ma znaleźć zastosowanie w biomedycynie, farmacji oraz badaniach podstawowych. Szczególne znaczenie może mieć w sytuacjach, w których konieczne jest obserwowanie dynamicznych procesów zachodzących na poziomie subkomórkowym, również w żywych komórkach.

Janina Niemeyer, członkini zespołu Lightweaver, podkreśla, że celem naukowców jest uwidocznienie struktur i procesów, które pozostawały dotychczas poza zasięgiem konwencjonalnego obrazowania. Połączenie zwiększonej rozdzielczości, dużego pola widzenia i wysokiej szybkości rejestracji może umożliwić jednoczesne analizowanie bardzo drobnych elementów komórki oraz ich zmian w czasie.

Takie rozwiązanie może być istotne między innymi w badaniach nad przemieszczaniem się białek, funkcjonowaniem organelli komórkowych, zmianami w błonie komórkowej oraz reakcjami komórek na leki. Możliwość prowadzenia obserwacji w żywych komórkach pozwala śledzić procesy biologiczne w sposób bardziej dynamiczny niż analiza pojedynczych, utrwalonych preparatów.

Jak działa mikroskop Lightweaver

Rozdzielczość mikroskopu ma przekraczać klasyczną granicę dyfrakcyjną światła. Osiągnięcie tak zwanej superrozdzielczości jest możliwe dzięki zastosowaniu strukturyzowanego oświetlenia próbki.

Na badaną próbkę projektowany jest wzór świetlnych pasów. Następnie wykonywana jest seria obrazów, przy czym położenie wzoru oświetlenia zostaje pomiędzy kolejnymi rejestracjami odpowiednio przesunięte. Informacje zawarte w poszczególnych obrazach są później przetwarzane obliczeniowo, co pozwala odtworzyć szczegóły niewidoczne w pojedynczym obrazie uzyskanym za pomocą klasycznej mikroskopii fluorescencyjnej.

Według twórców systemu zastosowana metoda umożliwia około dwukrotne zwiększenie rozdzielczości. Istotnymi cechami urządzenia mają być również duża szybkość obrazowania i szerokie pole widzenia. Dzięki temu możliwe jest obserwowanie drobnych struktur komórkowych i zachodzących w nich procesów, bez ograniczania analizy wyłącznie do niewielkiego fragmentu próbki.

Strukturyzowane oświetlenie należy do technik mikroskopii superrozdzielczej, w których poprawa jakości obrazu nie wynika wyłącznie z zastosowania mocniejszego obiektywu. Kluczowe znaczenie ma kontrolowany sposób oświetlenia próbki oraz komputerowa rekonstrukcja uzyskanych danych.

Urządzenie wielkości kuchenki mikrofalowej

Jednym z założeń projektu było znaczące ograniczenie rozmiarów całego systemu. Według dr. Henninga Ortkraßa dostępne dotychczas układy o porównywalnej funkcjonalności mogły zajmować przestrzeń odpowiadającą jednemu lub dwóm dużym urządzeniom chłodniczym. Lightweaver ma natomiast rozmiary zbliżone do kuchenki mikrofalowej.

Kompaktowa konstrukcja może ułatwić instalowanie systemu w laboratoriach, w których dostępna przestrzeń jest ograniczona. Mniejsze wymiary mogą również uprościć transport, serwisowanie i integrację urządzenia z istniejącą infrastrukturą badawczą.

Nie oznacza to jednak, że Lightweaver jest prostym mikroskopem laboratoryjnym. Jest to zaawansowany system łączący precyzyjną optykę, elementy mechaniczne, elektronikę sterującą oraz oprogramowanie odpowiedzialne za rekonstrukcję obrazu.

Pięć lat prac nad konstrukcją optyczną

Układ optyczny mikroskopu był rozwijany przez pięć lat w grupie badawczej kierowanej przez prof. dr. Thomasa Husera. Przez 14 miesięcy projekt korzystał także ze wsparcia programu Start-up Transfer.NRW.

W tym okresie naukowcy koncentrowali się na zbudowaniu możliwie wydajnego, odpornego i stabilnego urządzenia. Dla opracowanych rozwiązań konstrukcyjnych zgłoszono już wnioski patentowe.

Zespół dysponuje obecnie demonstratorem technologii. Kolejnym etapem ma być przygotowanie prototypu, za pomocą którego potencjalnym klientom będzie można zaprezentować działanie mikroskopu w konkretnych zastosowaniach badawczych.

Równolegle prowadzone będą działania związane z opracowaniem modelu biznesowego, oceną potrzeb poszczególnych grup odbiorców oraz wejściem na rynki naukowe i przemysłowe.

Zastosowanie w medycynie spersonalizowanej

Jednym z kierunków rozwoju technologii jest jej wykorzystanie w medycynie spersonalizowanej. Mikroskop mógłby wspierać badania nad sposobem metabolizowania leków, potencjalną toksycznością substancji dla określonych grup pacjentów oraz wzajemnymi oddziaływaniami różnych produktów leczniczych.

Obserwowanie zmian zachodzących w żywych komórkach po podaniu określonego związku może dostarczać informacji trudnych do uzyskania przy użyciu metod opartych wyłącznie na końcowych pomiarach biochemicznych. Badacze mogliby śledzić nie tylko rezultat działania leku, lecz także czasowy przebieg odpowiedzi komórkowej.

Technologia pozostaje jednak na etapie rozwoju i przygotowywania do komercjalizacji. Materiał Universität Bielefeld nie przedstawia wyników badań klinicznych ani danych potwierdzających skuteczność systemu w diagnostyce pacjentów. Potencjalne zastosowania medyczne należy zatem traktować jako kierunki dalszych badań, a nie jako obecnie dostępne procedury diagnostyczne.

Badania nad komórkami regulującymi wymianę między krwią a wątrobą

Lightweaver był już wykorzystywany w projektach finansowanych przez Unię Europejską. Wraz z partnerami badawczymi naukowcy analizowali komórki wątroby uczestniczące w regulacji wymiany substancji pomiędzy krwią a tkanką wątrobową.

Zespół obserwował, w jaki sposób komórki te dostosowują swoją funkcję filtracyjną poprzez dynamiczne zmienianie niewielkich porów. Zmiany te mogą wpływać na przenikanie i wychwytywanie substancji czynnych.

Obrazowanie tego procesu może pomóc w lepszym zrozumieniu reakcji komórek wątroby na leki oraz mechanizmów leżących u podstaw interakcji pomiędzy różnymi substancjami. W przyszłości podobne analizy mogłyby wspierać rozwój nowych leków oraz ocenę ich działania na poziomie komórkowym.

Zespół przewiduje, że jednym z najważniejszych obszarów zastosowania mikroskopu będzie właśnie przemysł farmaceutyczny, w tym badania przesiewowe związków, ocena odpowiedzi komórkowej i rozwój substancji czynnych.

Zainteresowanie środowiska akademickiego i przemysłu

Dotychczasowe zapytania dotyczące technologii pochodziły przede wszystkim ze środowiska akademickiego. Zespół informuje między innymi o zainteresowaniu ze strony badaczy z Oxford oraz Johns Hopkins University.

Nawiązano również kontakty z przedstawicielami przemysłu, w tym z Bayer CropScience oraz Partex.AI Labs GmbH w Regensburgu. Relacje te mają stanowić punkt wyjścia do dalszego testowania technologii i poszukiwania potencjalnych obszarów jej zastosowania.

Twórcy urządzenia podkreślają, że ich celem nie jest ograniczenie projektu do badań podstawowych. Chcą, aby opracowane rozwiązanie było dostępne dla większej liczby laboratoriów i w przyszłości mogło pośrednio przyczyniać się do lepszego poznawania mechanizmów chorób, opracowywania metod diagnostycznych i rozwijania terapii.

Finansowanie i plan wejścia na rynek

Projekt start-upowy otrzymał 1,15 mln euro w ramach programu EXIST-Forschungstransfer finansowanego przez Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Finansowanie zostało przyznane na 18 miesięcy i ma obowiązywać do grudnia 2027 roku.

Środki mają zostać wykorzystane między innymi do zbudowania dwóch kolejnych demonstratorów. Naukowcy chcą w tym czasie rozwijać produkt, prowadzić testy zastosowań oraz przygotować się do komercyjnego wejścia na rynek.

Program EXIST-Forschungstransfer wspiera projekty badawcze wymagające dalszych prac rozwojowych przed utworzeniem przedsiębiorstwa i rozpoczęciem sprzedaży. W przypadku Lightweavera finansowanie ma pomóc w przejściu od konstrukcji laboratoryjnej do urządzenia, które będzie można zaoferować ośrodkom naukowym i firmom farmaceutycznym.

Znaczenie technologii i obecne ograniczenia

Najważniejszą potencjalną zaletą Lightweavera jest połączenie superrozdzielczego obrazowania z dużym polem widzenia, wysoką szybkością rejestracji i relatywnie kompaktową konstrukcją. Taki zestaw cech może być szczególnie użyteczny w badaniach dynamicznych procesów zachodzących równocześnie w wielu komórkach lub na rozległym obszarze próbki.

Na obecnym etapie urządzenie należy jednak traktować jako rozwijaną technologię badawczą. Komunikat Universität Bielefeld nie zawiera porównawczych danych technicznych pozwalających kompleksowo zestawić Lightweavera z dostępnymi komercyjnie mikroskopami superrozdzielczymi. Nie podano również ceny urządzenia, kosztów eksploatacji, wymagań dotyczących przygotowania próbek ani wyników niezależnej walidacji.

Dalsze prace powinny wykazać, czy deklarowane parametry uda się zachować w seryjnie produkowanych urządzeniach oraz czy system okaże się wystarczająco stabilny, powtarzalny i łatwy w obsłudze w różnych laboratoriach. Szczególnie istotne będą testy prowadzone przez niezależne zespoły badawcze oraz publikacja szczegółowych danych dotyczących jakości obrazowania.

Lightweaver może zwiększyć dostępność zaawansowanej mikroskopii fluorescencyjnej, zwłaszcza jeżeli kompaktowa konstrukcja zostanie połączona z uproszczoną obsługą i konkurencyjnymi kosztami. Na ocenę rzeczywistego znaczenia rozwiązania dla diagnostyki, farmacji i medycyny spersonalizowanej trzeba jednak poczekać do zakończenia prac rozwojowych oraz przeprowadzenia badań walidacyjnych.

Źródło: Universität Bielefeld / Informationsdienst Wissenschaft, Compact Microscope Makes Previously Invisible Structures Visible.