PAN informacje

Wszyscy ci, którzy chcieliby zobaczyć najdrobniejsze struktury organizmu na żywo i niejako „przy pracy”, mogą już zacierać ręce. Zespół prof. Macieja Wojtkowskiego z Instytutu Chemii Fizycznej PAN opracował nowatorskie metody takiego obrazowania. Wykorzystując bliską podczerwień, czyli zakres fal świetlnych używany niegdyś w telewizyjnych pilotach, badaczom udało się uzyskać obrazy żywych, działających i komunikujących się między sobą komórek, i to w ostrości, o jakiej nikomu się dotąd nie śniło.

Bliska podczerwień to fale jeszcze niezbyt pochłaniane przez wodę, a już nie tak silnie rozpraszane np. przez skórę, jak światło widzialne. Nawet w tkance gęstej, jak skóra czy mózg, docierają stosunkowo głęboko, na 1-2 mm. Niewiele? – Na razie możliwość zobaczenia ostro pojedynczych komórek 1-2 mm pod skórą i to i tak rzecz nieosiągalna. Pomijając oczywiście prace naszej grupy – wyjaśnia ze śmiechem prof. Wojtkowski. –Zresztą te limity są co parę lat przesuwane. Myślę, że dojdziemy do 3-4 milimetrów; resztę można załatwić odpowiednimi wziernikami. Albo postawić na inne długości fal.

Sukces polskiego zespołu to efekt niekonwencjonalnego podejścia do źródła fal, czyli światła. – Większość znanych i używanych dziś technik mikroskopowych, nawet tych najbardziej zaawansowanych, wykorzystuje tylko połowę niesionej przez światło informacji. Tę zawartą w energii, czyli w jasności światła – wyjaśnia prof. Wojtkowski. My spróbowaliśmy uchwycić także tę połowę, którą niesie faza – rozchodzenie się fali światła w czasie i przestrzeni. Naszymi metodami można pozyskać oba typy informacji. Sprawdzić, jak elementy wiązki światła się ze sobą „dogadują”.

Jak to zrobić? Punktem wyjścia jest spójna wiązka: w jednej fazie, o jednej długości fali i jednakowym natężeniu. Taką wiązkę mogą generować jedynie lasery. Niestety, ta spójność jest też wadą. Przy zetknięciu ze skomplikowaną powierzchnią tkanki wiązka zaczyna się odbijać, a poszczególne informacje – nakładać na siebie, aż nie można ich rozszyfrować. Widać w zasadzie tylko szum. Dlatego doskonałość wiązki trzeba nieco osłabić. W tym celu badacze dzielą ją na jakiś milion (im więcej, tym lepiej) pod-wiązek i każdą kontrolują oddzielnie, ustawiając dla każdej własną fazę, a potem dynamicznie zmieniają te fazy w czasie, żeby poszczególnie wiązki „nie zdążyły się przyzwyczaić”. Czy to trudne? Prof. Wojtkowski twierdzi, że nie. – Wystarczy wyciągnąć z byle projektora główny element, dzięki któremu widzimy obrazy. Rozdzielczość, jaką posiada, wystarcza do kontrolowania tych milionów wiązek.

Wszystko po to, by wśród masy pojedynczych promieni wyselekcjonować te, które znalazły optymalny kąt przejścia przez badany obiekt. Uzyskane z nich obrazy są najostrzejsze. Pozostaje jeszcze złożyć je w jeden obraz. Resztę – zamazaną/zaburzoną – można wyciąć specjalnymi metodami obliczeniowymi podczas obróbki w komputerze. To zresztą wspaniały pomocnik badacza, twierdzi profesor: – Robi jakieś 70% pracy, tyle że najpierw trzeba mu powiedzieć, co ma zrobić i wlać informacje do przetworzenia. Zwykłe programy graficzne nie dadzą tutaj rady – sami musimy wymyślić algorytmy.

A trzeci wymiar? Tu znaczenie mają kolory, czyli długości świetlnych fal, które trzeba odpowiednio zmieniać, ale polski zespół to też potrafi.

Po publikacjach w prestiżowych czasopismach wydawanych przez Optical Society of America, nasi eksperci nie spoczywają na laurach. Zamierzają doskonalić swoje technologie tak, by móc zajrzeć do wnętrza ludzkiego oka czy mysiego mózgu „bez konieczności inwazyjnego pobierania próbek, zabijania, krojenia, zamrażania,… bez marnowania życia – powiedzmy tysiąca myszy – żeby zobaczyć przebieg jakiejś choroby” – opowiada profesor. – Chcielibyśmy móc podglądać żywą, działającą siatkówkę, a najbardziej ciekawi nas to, co do tej pory niedostępne, czyli jej głębokie warstwy: nabłonek barwnikowy, błona naczyniowa, twardówka. W końcu oko to najlepszy znany podgląd na mózg.

Rozwiązaniem wydaje się połączenie dwóch opracowanych przez zespół metod, bo każda z nich eliminuje inny typ zakłóceń. – Moglibyśmy uzyskać super jakość obrazu; praktycznie bez zaburzeń, w 3-D i z dokładnością – przy dobrym powiększeniu – poniżej 1 mikrometra, czyli pozwalającą zobaczyć elementy składowe pojedynczej komórki. Nie to jednak interesuje nas najbardziej – wyjaśnia. Wolelibyśmy obserwować, jak się zachowują komórki względem siebie, wizualizować ich interakcje, nie rezygnując z drobnych detali.

Dzięki pracom zespołu z IChF PAN jesteśmy w stanie coraz lepiej widzieć szczegóły anatomiczne i analizować działanie tkanek i procesów bezpośrednio w żywych organizmach, bez konieczności zabijania czy nawet usypiania „obiektów badań”. Co uda się odkryć dzięki nowym metodom obrazowania? Możliwości wydają się nieograniczone.

Źródło: Instytut Chemii Fizycznej PAN