Mikroskopia korzystająca z soczewek szklanych i światła jest od wieków podstawą badań w laboratoriach. Chociaż istnieją bardziej zaawansowane urządzenia, takie jak mikroskopy elektronowe, ich wysoki koszt i potrzeba konserwacji czynią je niepraktycznymi dla większości laboratoriów. W rezultacie mikroskopy konfokalne, które wykorzystują światło i soczewki do powiększania obiektów, są preferowanym wyborem wielu badaczy. Jednak te mikroskopy mają ograniczenia w rozdzielczości obiektów o wielkości zbliżonej do długości fali użytego światła, co prowadzi do zniekształcenia obrazu poprzez dyfrakcję.

Mikroorganizmy, takie jak bakterie, grzyby i wirusy, mieszczą się w tej samej skali wielkości, co stawia wyzwania przed mikrobiologami i patologami, którzy chcą je badać i diagnozować. Aby pokonać te przeszkody, w ciągu ostatnich ośmiu lat pojawiła się technika mikroskopii ekspansyjnej, która pozwala poprawić rozdzielczość konwencjonalnych mikroskopów poprzez rozszerzenie obserwowanych mikroorganizmów.

Mikroskopia ekspansyjna wykorzystuje hydrogel polielektrolitowy do rozszerzania próbek. Te żele są wysoko chłonne i puchną po dodaniu wody. Próbki, w tym określone biomolekuły, takie jak białka, są zakotwiczone w tej macierzy żelowej. W miarę jak żel puchnie, próbki rozszerzają się nawet czterokrotnie, eliminując zniekształcenia spowodowane dyfrakcją.

Jednak mikroskopia ekspansyjna napotyka trudności w zapewnieniu jednorodnego rozszerzenia próbek. Obecność ścian komórkowych w wielu mikroorganizmach utrudnia ich ekspansję, a także konieczność specyficznych kroków kotwiczenia dla każdej biomolekuły sprawia, że proces jest pracochłonny i ograniczający pod względem rodzajów próbek, które można rozszerzać.

W czerwcu 2023 roku zespół badaczy biotechnologicznych pod kierownictwem Yongxin Zhao na Uniwersytecie Carnegie Mellon opracował nową platformę mikroskopii ekspansyjnej o nazwie µMagnify. Ta platforma wykorzystywała hydrogel, który uniwersalnie wiąże biomolekuły w całej macierzy żelowej, co prowadzi do bardziej jednorodnego rozszerzenia próbek i rozszerza zakres organizmów i tkanek, które można obserwować. Jednak dwa wyzwania pozostały nierozwiązane: problem ściany komórkowej i możliwość znakowania i identyfikacji konkretnych struktur.

Aby rozwiązać problem ściany komórkowej, badacze połączyli obróbkę termiczną z mieszaniną enzymów trawiących ściany komórkowe, osiągając udane rozszerzenie różnorodnych patogenów i zainfekowanych tkanek, w tym odpornych biofilmów bakteryjnych i grzybiczych.

Drugie wyzwanie dotyczy znakowania białek w celu identyfikacji struktur lub kluczowych białek w obrębie obserwowanych komórek. Powszechnie stosuje się znakowanie fluorescencyjne, ale tradycyjnie pozwala ono tylko na ograniczoną liczbę kolorów ze względu na nakładanie się długości fal. Jednak zespół Zhao opracował podejście polegające na procesie płukania i powtarzaniu, co umożliwia kilka rund znakowania w jednym badaniu. To, w połączeniu z poprawionym powiększeniem obrazu, umożliwia obrazowanie wielu interakcji białek i struktur w trójwymiarze.

System µMagnify oferuje ekonomiczne i łatwe rozwiązanie do poprawy mocy i wszechstronności istniejących mikroskopów konfokalnych. Przy szacowanym koszcie 10 dolarów za próbkę laboratoria na całym świecie mogą przyjąć tę technikę. W regionach o ograniczonych zasobach i wysokim występowaniu patogenów mikrobiologicznych, takich jak Afryka Subsaharyjska i Azja Południowo-Wschodnia, system ten ma duży potencjał. Nawet badacze opracowali program rzeczywistości wirtualnej o nazwie ExMicroVR do wizualizacji danych, co ułatwia współpracę badaczy nad tym samym badaniem.

Źródło: Yongxin Zhao et al., Advanced Science