Tạo ảnh độ phân giải cao bằng kính hiển vi thông thường

Dân trí Các nhà nghiên cứu Trường Đại học MIT đã phát triển thành công một kỹ thuật tạo ảnh các mẫu mô có độ phân giải rất cao với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với chi phí của các kỹ thuật khác có độ phân giải tương tự.

Kỹ thuật mới này dựa vào việc mở rộng mô trước khi tạo ảnh nó bằng kính hiển vi ánh sáng thông thường. Hai năm trước, nhóm nghiên cứu của MIT đã chỉ ra rằng rằng có thể mở rộng các khối mô gấp 100 lần có thể tạo ra độ phân giải của hình ảnh vào khoảng 60 nanomét. Bây giờ, các nhà nghiên cứu cho thấy việc mở rộng mô này thêm 1 lần nữa trước khi tạo ảnh có thể làm tăng độ phân giải lên khoảng 25 nanomét.

Ed Boyden, phó giáo sư kỹ thuật sinh học não bộ và khoa học nhận thức tại MIT cho biết, cấp độ phân giải này cho phép các nhà nghiên cứu có thể quan sát thấy như các protein bó cụm lại với nhau trong các mô hình phức tạp ở các khớp thần kinh não, trợ giúp các nơ-ron giao tiếp với nhau. Nó cũng có thể giúp các nhà nghiên cứu lập bản đồ các mạch thần kinh.

Cách tiếp cận này cũng có thể dùng để mô tả các hiện tượng khác như sự tương tác giữa các tế bào ung thư và các tế bào miễn dịch, để phát hiện mầm bệnh mà không cần phải dùng thiết bị đắt tiền và để lập bản đồ các loại tế bào của cơ thể.

Công trình nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Methods.

Để mở rộng các mẫu mô, các nhà nghiên cứu nhúng chúng vào trong chất gel đậm đặc được tạo ra từ polyacrylate, một loại vật liệu siêu thấm hút, và được dùng trong trong các loại tã trẻ em và người lớn. Trước khi chất gel được hình thành, các nhà nghiên cứu tiến hành ghi nhãn các protein tế bào mà họ muốn tạo ảnh bằng cách sử dụng các kháng thể liên kết với các mục tiêu cụ thể.

Những kháng thể này sẽ ghi nhớ các "mã vạch" được tạo thành từ ADN, lần lượt gắn chặt với các phân tử liên kết chéo mà kết hợp với các polyme để hợp thành chất gel có thể giãn nở. Sau đó họ phá vỡ các protein gắn với nhau, cho phép các mã vạch DNA nở rộng ra khi gel phồng lên. Sau đó có thể dán nhãn các mẫu được phóng to này bằng các đầu dò huỳnh quang gắn các mã vạch ADN, và tạo ảnh bằng kính hiển vi cộng hưởng có sẵn trên thị trường, độ phân giải của kính hiển vi này thường ở mức giới hạn hàng trăm nanomét.

Boyden cho biết, khi sử dụng phương pháp tiếp cận này, các nhà nghiên cứu trước đây chỉ có thể thu được độ phân giải của ảnh vào khoảng 60 nanomét. Trong khi đó các phân tử sinh học đơn lẻ có kích cỡ nhỏ hơn rất nhiều lần, với kích cỡ chỉ 5 nanomet hoặc thậm chí còn nhỏ hơn. Các phiên bản ban đầu của kính hiển vi mở rộng (expansion microscopy) rất hữu ích đối với nhiều vấn đề khoa học nhưng không đủ hiệu suất tạo ảnh có độ phân giải cực lớn như các kính hiển vi điển tử.

Trong nghiên cứu ban đầu về kính hiển vi mở rộng của nhóm nghiên cứu, họ đã phát hiện thấy rằng thiết bị này có thể mở rộng các khối mô hơn 100 lần khi giảm số lượng các phân tử liên kết chéo giam giữ polymer theo một sơ đồ có trật tự. Tuy nhiên, điều này làm cho các mô không ổn định.

Boyden, một thành viên của Phòng thí nghiệm Media và Viện Nghiên cứu não bộ McGovern cho biết: “Nếu giảm mật độ liên kết chéo, các polyme không còn giữ được tổ chức của chúng trong suốt quá trình mở rộng do đó sẽ không thể thu thập thông tin về nó”.

Thay vào đó, trong nghiên cứu mới nhất của nhóm nghiên cứu, họ đã sửa đổi kỹ thuật này nhằm sau khi mở rộng mô đầu tiên, họ có thể tạo ra một chất gel mới có thể làm nở rộng mô thêm một lần nữa. Cách tiếp cận này được họ gọi là “sự mở rộng lặp lại”.

Khi ứng dụng kỹ thuật mới này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra được ảnh mô với độ phân giải tăng thêm 25 nanomet, tương tự với các kỹ thuật tạo ảnh có độ phân giải cao như kính hiển vi phát huỳnh quang siêu nét (stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Tuy nhiên, kính hiển vi mở rộng có kết cấu và điều khiển không quá phức tạp, giá thành rẻ hơn rất nhiều, Boyden nói. Phương pháp này cũng cho hình ảnh nhanh hơn nhiều và do đó tương thích với phương pháp tạo ảnh 3-D kích cỡ lớn.

Mặc dù độ phân giải của kính hiển vi mở rộng chưa tương xứng với kính hiển vi quét điện tử (khoảng 5 nanomét) hoặc kính hiển vi điện tử truyền qua (khoảng 1 nanomet). Tuy nhiên, kính hiển vi điện tử lại rất đắt tiền và không có sẵn trên thị trường. Với những loại kính hiển vi này, rất khó để các nhà nghiên cứu gắn nhãn các protein cụ thể.

Trong nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Methods, nhóm của MIT đã sử dụng kỹ thuật mở rộng lặp lại để tạo ảnh cho các khớp thần kinh - các kết nối giữa các nơ-ron để cho phép chúng liên lạc với nhau. Trong nghiên cứu kính hiển vi mở rộng ban đầu của họ, các nhà nghiên cứu cũng đã tạo ảnh được các protein “giàn giáo”, điều này có thể giúp thiết lập hàng trăm loại protein khác tìm thấy trong khớp thần kinh. Với kỹ thuật mới này, độ phân giải được tăng lên, giúp các nhà nghiên cứu có thể quan sát rõ các cấu trúc phức tạp chẳng hạn như vị trí của các thụ thể neurotransmitter nằm trên bề mặt của các tế bào “postsynaptic”.

Boyden hy vọng trong những năm tới có thể tiến hành lập bản đồ tổ chức của những protein tín hiệu và “giàn giáo” này ở khớp thần kinh. Boyden tin tưởng cho biết, việc kết hợp kính hiển vi với công cụ mới có tên là temporal multiplexing có thể giúp nhóm nghiên cứu đạt được điều này.

Hiện nay, chỉ mộ số lượng hạn chế các đầu dò màu được dùng để tạo ảnh các phân tử khác nhau trong một mẫu mô. Với temporal multiplexing, các nhà nghiên cứu có thể gắn nhãn một phân tử nào đó với một đầu dò huỳnh quang, chụp ảnh, và sau đó phải làm sạch đầu dò ngay lập tức. Việc này sẽ phải thực hiện nhiều lần, mỗi lần sử dụng các màu giống nhau để phân biệt các phân tử khác nhau.

“Về nguyên tắc cơ bản, khi kết hợp kính hiển vi mở rộng lặp lại với temporal multiplexing, chúng tôi có thể tạo ảnh các khối mô với độ phân giải cao ở phạm vi nano, mầu sắc vô hạn, hình ảnh 3D. Mọi thứ càng ngày càng trở nên tuyệt vời hơn khi những công nghệ khác nhau này sớm kết nối với nhau”, Boyden cho biết.

P.T.T-NASATI (Theo Phys)