Driedimensionale microscopie kan revolutionaire gevolgen hebben in onderzoek naar aandoeningen, maar kampt met kinderziektes. Experts aan de KU Leuven en het VIB zoeken de grenzen van de techniek op.
Vierhonderd jaar geleden al gebruikte Galileo Galilei een vroeg model van een microscoop om voorwerpen in detail te bestuderen. Sinds die tijd heeft de techniek zich keer op keer bewezen als absoluut noodzakelijk binnen de wetenschappelijke wereld. Toch wordt er nog steeds wat laatdunkend over gedaan. Velen denken dat microscopie samenvalt met het clichébeeld van de onderzoeker die met één oog door een lens tuurt naar een plat voorwerp op een plaatje.
Dat klopt niet meer. Elektronische ontwikkelingen in het vakgebied zorgden voor revolutionaire doorbraken. Vandaag zijn microscopen supergevoelige apparaten waarin monsters in extreem detail zichtbaar worden. Met 3D-microscopie kunnen onderzoekers zebravissen, fruitvliegen en andere organismen gedetailleerd in een driedimensionale ruimte bekijken. Ze kunnen volledige embryo’s van muizen onder de loep nemen.
Het cliché van de onderzoeker die met één oog tuurt naar een plat voorwerp op een plaatje klopt niet meer
Toch steekt (3D)microscopie op sommige vlakken nog in de kinderschoenen. ‘Als we echt gedetailleerd willen kijken naar wat er op orgaanniveau gebeurt in een lichaam, moeten we verder gaan dan waar we vandaag staan’, zegt microscopie-expert Sebastian Munck (VIB-KUL). ‘We moeten kunnen kijken naar de dynamische interacties die cellen met elkaar hebben op een driedimensionaal vlak. Alleen zo kunnen we achterhalen wat er gebeurt als het misgaat tussen die cellen – bijvoorbeeld bij ziektes.’
Nieuw terrein
Driedimensionale microscopie komt met een geheel eigen set aan problemen, hoofdbrekens waarmee wetenschappers als Munck en zijn collega Natalia Gounko (VIB-KUL) dagelijks te maken krijgen. ‘Het is niet gemakkelijk om een orgaan intact en in z’n geheel te bekijken’, zegt Munck. ‘Je kan niet zomaar de bestaande methodes gebruiken. Een driedimensionaal object gewoon platdrukken en onder een lens schuiven, gaat nu eenmaal niet.’
Om naar de binnenkant van een driedimensionale sample te kunnen kijken, hebben onderzoekers vandaag twee opties. Of ze snijden in de sample, waarbij ze de integriteit van het monster beschadigen. Of ze maken het weefsel errond transparant met chemische ophelderingstechnieken. ‘Alleen raak je dan alle informatie over kleur en optische textuur van dat weefsel kwijt’, zegt Munck. ‘Dat moet anders.’
‘Dit is nieuw gebied waar conventionele methoden niet op kunnen worden toegepast’, zegt Munck. Gounko knikt instemmend toe: ‘In het verleden waren we beperkt tot samples fixeren, we moesten ze vastpinnen onder de microscoop. Dat geeft nadelige effecten, je wil geen veranderingen in de proteïnen van de stalen die je bestudeert.’
‘Je kan moeilijk een driedimensionaal object gewoon platdrukken en onder een lens schuiven’
Ook de schaal waarop onderzoekers werken brengt moeilijkheden met zich mee. ‘We kijken bijvoorbeeld naar defecten in de hersenen van knaagdieren. Daar zijn methodes voor, zoals antilichamen gebruiken om tumoren of andere defecten op te sporen. Alleen kunnen wij die niet inzetten, omdat ze een intact orgaan niet makkelijk kunnen penetreren’, zegt Munck.
Het probleem waarmee Munck en Gounko zitten is er voornamelijk een van effectiviteit. Als je naar individuele cellen kijkt, kan je in theorie perfect traceren waar ze zich in het orgaan bevinden en welke functies ze hebben. Dan moet je de cellen dan wel een voor een traceren. Dat klinkt tijdsintensief, en dus duur.
‘In één orgaan zitten duizenden cellen. We moeten kunnen onderscheiden welke processen bij welke cellen horen. Als we die celwerking individueel moeten uitvogelen, maken we geen voortgang tegen ziektes als alzheimer’, zegt Munck. ‘We hebben methodes nodig om individuele cellen te selecteren en naar de voorgrond te brengen. Dat kan met kleuring of simpelweg door de bestaande informatie efficiënter te gebruiken.’
Totaalplaatje
Munck en Gounko stelden nieuwe protocollen op waarbij microscopie aan zijn huidige optische hindernissen kan ontsnappen. Door de protocollen te implementeren in 3D-microscopie, zijn de onderzoekers erin geslaagd niet-transparante monsters in een driedimensionale ruimte te bekijken.
‘Om onze techniek te testen, spelen we met materialen. Momenteel zijn lijm en Play-Doh-plasticine onze belangrijkste benodigdheden’
Die nieuwe ontwikkeling kan diverse disciplines een stevige duw in de rug geven. Munck en Gounko denken onder meer aan toepassingen in de neurobiologie en (bio)fotografie. Ook voor pigmentanalyse, virtual reality of zelfs in de kunstsector kan het handig zijn om een gedetailleerd 3D-beeld te hebben van een oppervlak of een object.
Dat is niet waar de onderzoeksgroep stopt. Ze wil de nieuwe techniek combineren met bestaande methodes. ‘We willen de bestaande hoogsensitieve methodes voor een plat vlak aanvullen met de nieuwe technieken die werken in de ruimte’, zegt Munck. Zo kunnen wetenschappers gerichter onderzoek verrichten naar de werking van organen en hoe cellen zich tot elkaar verhouden. ‘Hier zitten we op nieuw terrein. We moeten opnieuw uitstippelen hoe we met monsters omgaan.’
De methodes die Munck en Gounko ontwikkelden, zitten nog in de eerste fase. ‘We willen de hersenen op allerlei verschillende manieren bekijken om een totaalbeeld te krijgen. Vaak is weefsel zacht en blijft het niet rechtop staan’, vertelt Munck. Hij vergelijkt het met een potje pudding: neem de plastic verpakking eraf en alles valt in elkaar. Terwijl het juist nodig is dat de pudding mooi rechtop blijft staan. En dat een tijdlang, zodat je via de 3D-microscoop foto’s en video’s kan maken.
‘Om zulke problemen te verhelpen, spelen we met diverse materialen. Momenteel zijn lijm en Play-Doh-plasticine onze belangrijkste benodigdheden’, lacht Gounko. ‘We zijn nog ver van het finale product met vaste protocollen die universeel werken’, vult Munck aan. ‘Tot dan moeten we experimenteren met de materialen die we tot onze beschikking hebben.’
