Revolutie in microscopie

Nederland heeft een rijke traditie in de ontwikkeling van microscopische technieken. De uitvinder van de lichtmicroscoop, Zacharias Jansen, was een Zeeuw. Oude meesters Christiaan Huygens en Jan Swammerdam gebruikten als eersten de microscoop in hun wetenschappelijk werk. Ook in de twintigste eeuw hebben Nederlandse wetenschappers flink bijgedragen aan de ontwikkeling van de lichtmicroscoop: prof. F. Zernike vond de fasecontrastmicroscopie uit waardoor doorzichtige objecten zoals cellen zichtbaar werden, en prof. J.S. Ploem was de grondlegger van de fluorescentiemicroscopie, een doorbraak in de celbiologie. In de jaren tachtig ontwikkelde prof. G.J. Brakenhoff aan de UvA de confocale laser scanning microscoop waardoor driedimensionale microscopie mogelijk werd.

Dr. Erik Manders van het Swammerdam Institute for Life Sciences (SILS) van de UvA heeft nu een volgende stap gezet in de ontwikkeling van de lichtmicroscoop. Hij heeft een microscoop uitgevonden die het mogelijk maakt om vijf tot tien keer zo goed naar levende cellen te kijken. In samenwerking met de onderzoeksgroep van prof. dr. Ron van Noorden, hoogleraar Celbiologie en histologie aan AMC-UvA, is een prototype gebouwd dat op dit moment onder andere wordt toegepast in onderzoek naar de ziekte van Alzheimer. De Japanse firma Nikon heeft de microscoop inmiddels op de markt gebracht en de eerste publicatie verscheen vandaag, maandag 22 januari, in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Biotechnology.

Een revolutie in de celbiologie
In de afgelopen tien jaar vond een revolutie plaats in de celbiologie. Door toepassing van moleculair biologische technieken werd het mogelijk om een cel fluorescerende eiwitten te laten produceren die oorspronkelijk afkomstig zijn van een kwal (Aequorea Victoria ). Deze eiwitten zijn vervolgens met behulp van fluorescentiemicroscopie te zien. Het grote voordeel van deze techniek is dat de cel niet gedood hoeft te worden alvorens te worden gekleurd, maar dat de cel zich als het ware zelf kleurt in levende toestand. Met deze techniek is het tegenwoordig dus heel goed mogelijk naar levende cellen kijken. Op die manier kunnen vragen worden beantwoord als: waar is dat eiwit, waar gaat het naartoe, hoe snel beweegt het, en met welke andere eiwitten heeft het interactie? Met de live-cell technieken kunnen we een heleboel meer te weten komen over allerlei cellulaire processen en ziekten.

Fototoxisch effect
Een groot probleem in de microscopie van levende cellen is echter dat cellen schade ondervinden zodra ze worden belicht. Cellen kunnen zelfs doodgaan aan de grote hoeveelheid licht. Dit effect zet vaak een streep door live-cell microscopie. Zonder licht zijn fluorescerende eiwitten echter onzichtbaar. Dimmen van het licht verminderd wel het zogeheten fototoxische effect, maar de camerabeelden krijgen daardoor een erg slechte beeldkwaliteit. De nieuwe techniek CLEM (Controlled Light Exposure Microscopy), ontwikkeld door de groep van Manders, biedt een oplossing voor dit probleem. Met CLEM is een tiende tot een vijfde van het licht genoeg om een beeld op te nemen zonder dat de beeldkwaliteit achteruitgaat door de vermindering van het licht. De techniek zorgt voor een sterke vermindering van het fototoxische effect, en maakt het dus mogelijk om naar levende cellen te kijken die vroeger zouden zijn gestorven door de hoge lichtintensiteit.

Hoe werkt CLEM?
Gewone (non-CLEM) beeldvorming komen we tegen in het dagelijks leven. Objecten worden normaal gesproken egaal belicht door lamp- of zonlicht. De objecten reflecteren een deel van dat licht wat vervolgens op het netvlies van het oog of op de CCD-chip van een camera terechtkomt. Het beeld op het netvlies (of fotocamera) geeft directe informatie over het object; lichte delen van het object zien we licht en donkere zijn donker. Bij CLEM wordt dit concept van beeldvorming op zijn kop gezet. In CLEM wordt elk punt van het object met een aparte hoeveelheid licht uitgelicht. Lichte delen van een object worden minder belicht, omdat er toch genoeg licht vandaan komt en het dus goed genoeg is te zien. Donkere delen worden evenveel belicht en naast het object wordt het licht helemaal uitgezet. Door het object alleen te beschijnen op plekken waar licht echt nodig is, kan de hoeveelheid licht flink worden verminderd (soms met een factor tien). Het camerabeeld komt er op deze manier wel vreemd uit te zien, maar een eenvoudige correctie zorgt ervoor dat een gewoon beeld van het object ontstaat.

De onderzoeksgroepen van Manders en Van Noorden werkten de afgelopen jaren aan de ontwikkeling van deze technologie. Het was daarbij vooral lastig om elektronica te ontwerpen die de intensiteit van de laserbron regelt. Promovendus Ron Hoebe (AMC/SILS) en elektronicus Carel van Oven (AMC) hebben zich over dit probleem gebogen, wat resulteerde in een publicatie in Nature Biotechnology. De industrie was direct geïnteresseerd om de gepatenteerde CLEM-technologie op de markt te brengen. De Amsterdamse onderzoekers hebben een prototype opgestuurd naar Nikon in Japan, alwaar de CLEM- microscoop als product werd ontwikkeld. Op dit moment is het CLEM-team van Manders druk bezig om de technologie verder te verfijnen en fototoxiciteit nog verder te verminderen. Ze verwachten dat CLEM – net als de technieken van Zernike, Ploem en Brakenhoff – op den duur standaard zal worden gebruikt in celbiologisch onderzoek.