Η εξερεύνηση των μηχανισμών που διέπουν τη λειτουργία των ζωντανών κυττάρων αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα προκλήματα της βιολογικής έρευνας. Για πολλά χρόνια, οι επιστήμονες βρέθηκαν αντιμέτωποι με την ανάγκη να επιλέξουν ανάμεσα σε καθαρές απεικονίσεις μεγάλων δομών των κυττάρων ή σε λεπτομέρειες που αφορούν δομές σε νανοκλίμακα. Ελάχιστες φορές πέτυχαν να συνδυάσουν και τα δύο με επιτυχία.
Μια νέα, ανατρεπτική τεχνολογία που έχει αναπτύξει η ομάδα του Πανεπιστημίου του Τόκιο υπό την καθοδήγηση του Kohki Horie, φαίνεται να καταρρίπτει αυτό το δίλημμα. Το καινοτόμο μικροσκόπιο τους, το οποίο συνδυάζει δύο διαφορετικές μορφές οπτικής ανίχνευσης, προσφέρει έως και δεκατέσσερις φορές μεγαλύτερη φωτεινή ένταση σε σύγκριση με τα παραδοσιακά συστήματα. Η πρωτοποριακή αυτή προσέγγιση επιτρέπει στους ερευνητές να απεικονίζουν λεπτομέρειες σε πολλές κλίμακες χωρίς να προκαλούν βλάβες στα κυτταρικά δείγματα.
Η ουσία της καινοτομίας έγκειται σε μια ιδέα που, αν και φαίνεται απλή, ήταν δύσκολο να υλοποιηθεί. Η μικροσκοπία που χρησιμοποιεί τη διάδοση του φωτός προς τα εμπρός είναι εξαιρετική για την απεικόνιση μεγαλόσωμων οργανιδίων και άλλων χαρακτηριστικών δομών του κυττάρου. Ωστόσο, η πρόκληση εντοπίζεται στις μικρότερες δομές κάτω από τα 100 νανόμετρα, όπου η μικροσκοπία οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας αποδεικνύεται πιο αποτελεσματική, επιτρέποντας την ανίχνευση και μεμονωμένων συμπλεγμάτων πρωτεϊνών. Δυστυχώς, αυτή η ευαισθησία συνοδεύεται από ένα περιορισμένο οπτικό πεδίο, που δεν επιτρέπει την ταυτόχρονη καταγραφή μεγαλύτερων κυτταρικών διεργασιών.
Η ομάδα του Keiichiro Toda εξηγεί ότι η επίτευξη της συνεργασίας μεταξύ αυτών των δύο τεχνικών απαιτούσε εξαιρετική ακρίβεια και κοπιώδη πειραματισμό. Η σωστή τοποθέτηση των φακών και των καθρεφτών, καθώς και η προσαρμογή των αλγοριθμικών διαδικασιών, οδήγησαν στη δημιουργία ενός μοναδικού καρέ εικόνας που ενσωματώνει δεδομένα από τις δύο οπτικές μεθόδους, χωρίς παραμορφώσεις.
Η ομάδα πέρασε σε πρακτική αξιολόγηση του νέου συστήματος παρακολουθώντας ζωντανά κύτταρα κατά την εκδήλωση του προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου. Το μικροσκόπιο μπορούσε να καταγράφει σε πραγματικό χρόνο και τις αλλαγές σε μεγάλες δομές, όπως οι μεμβράνες που κατέρρεαν, αλλά και λεπτότερες διακυμάνσεις που προκαλούνταν από πολύ μικρά σωματίδια, όλα χωρίς τη χρήση χρωστικών ή φθοριζουσών ετικετών, οι οποίες συχνά αλλοιώνουν τη φυσιολογία του κυττάρου.
Ο νέος αυτός μηχανισμός παρέχει τη δυνατότητα ακριβούς εκτίμησης του μεγέθους και της διάθλασης σωματιδίων, επιτρέποντας στους ερευνητές να παρακολουθούν την κατάσταση και τη σύνθεση των υλικών που εξετάζουν. Έτσι, μειώνεται ο απαιτούμενος χρόνος ανάλυσης και η ακρίβεια των μετρήσεων βελτιώνεται σημαντικά.
Τα επόμενα βήματα στην έρευνα επικεντρώνονται στη δυνατότητα καταγραφής μικρότερων σωματιδίων όπως οι εξώσωσμοι, και στη διερεύνηση των τελευταίων φάσεων της κυτταρικής ζωής. Σκοπός είναι να δημιουργηθούν δυναμικοί χάρτες που θα απεικονίζουν πώς μια κυτταρική δομή καταρρέει ή αντιδρά σε φαρμακευτικές ουσίες.
Αυτή η πλούσια πληροφορία μπορεί να έχει κρίσιμη σημασία για τη φαρμακοβιομηχανία, καθώς η ανάπτυξη νέων φαρμάκων απαιτεί συνεχή παρακολούθηση της κυτταρικής αντίδρασης σε διάφορες ουσίες. Ένα εργαλείο που καταγράφει αυτές τις φυσικές διαδικασίες χωρίς να επηρεάζει τη φυσιολογία των κυττάρων, δίνει νέες διαστάσεις στην εκτίμηση της αποτελεσματικότητας και της τοξικότητας θεραπειών. Οι ίδιες αρχές ισχύουν και για τις βιοτεχνολογικές εφαρμογές όπου είναι απαραίτητος ο διαρκής έλεγχος της ποιότητας και της υγείας των κυττάρων.
