Tutkimus

Uudella tekniikalla kolmiulotteisia solutason mittauksia jopa läpinäkymättömien kappaleiden sisältä

Uudella tekniikalla kolmiulotteisia solutason mittauksia jopa läpinäkymättömien kappaleiden sisältä
Tampereen yliopiston tutkijat selvittivät, kuinka solutason rakenteita ja ilmiöitä voidaan röntgenkuvata tarkasti ja kolmiulotteisesti jopa täysin läpinäkymättömien näytteiden sisältä. Heidän työnsä nostaa kaupallisten mikrotomografialaitteiden (mikro-CT) potentiaalin uudelle tasolle biolääketieteen ja kudostekniikan tutkimustarpeita varten.

Valomikroskopiatekniikoilla on monia hyviä ominaisuuksia, mutta niiden yleinen rajoite on pieni kuvantamissyvyys. Tähän ei vaikuta ainoastaan käytetyn optiikan ominaisuudet, vaan silminnähden läpinäkyväkin näyte voi häiritä liikaa valon kulkua luotettavan kuvantamisdatan keräämiseksi. Pahimmillaan kuvantamisdataa ei saada pintaa syvemmältä ollenkaan, mikä voi jättää tutkimuskohteen sisäiset rakenteet ja olosuhteet täysin arvailujen varaan.

– Kudosteknisten biomateriaalien sekä kantasolupohjaisten elinmallien kehittämisen kannalta on suuri haaste, mikäli suurinta osaa näistä biologisista kokonaisuuksista ei voida tarkastella, kertoo tohtoriopiskelija Ilmari Tamminen, Communications Biology -lehdessä julkaistun tuoreen tutkimusartikkelin pääkirjoittaja.

Tampereen yliopiston laskennallisen biofysiikan ja kuvantamisen tutkimusryhmä halusi yhteistyökumppaniensa kanssa selvittää, voisiko mikroskooppisia solurakenteita ja niiden muutoksia mitata tarkasti kaupallisilla mikro-CT-laitteilla. Periaate on sama kuin sairaalan viipalekuvantamismenetelmissä, mutta mikro-CT-laitteilla voidaan suorittaa tarkempia 3D-kuvauksia. Tutkijat yhdistivät optimoidun röntgenkuvauksen kehittämäänsä dataprosessointitekniikkaan mitatakseen vasta-aineleimattuja solurakenteita. Vasta-aineleimauksessa näytteen sisään generoidaan kohdennettua nanohopeaa, joka vaimentaa röntgensäteilyä muodostaen solurakenteita vastaavan varjon röntgenkuviin. Säteilyä vaimentavien rakenteiden kolmiulotteinen sijainti voidaan selvittää röntgenkuvaamalla näytettä useista eri suunnista.

– Idea on optimoida leimaus, mikro-CT-kuvaus sekä dataprosessointi optisen referenssin avulla, sitten suorittaa 3D-syväkuvaus löydetyillä parametreilla, joilla röntgenputkikuvantamiselle tyypillisten virhelähteiden vaikutusta voidaan vähentää, Tamminen selittää.

Uuden tekniikan avulla pystyttiin tarkasti 3D-kuvaamaan ja mittaamaan solurakenteita kudosteknisten biomateriaalien sisältä, minne perinteisemmät mikroskopiatekniikat eivät yltäneet. Tutkijat onnistuivat muun muassa havaitsemaan syvältä biomateriaalirakenteiden sisältä mikroskooppisia tumamuutoksia soluissa, jotka oli altistettu solutukirankaan vaikuttavalle aineelle. Syvyysulottuvuutensa lisäksi mikro-CT-kuvauksen kaappaama tilavuus on muihin menetelmiin verrattuna iso, mikä mahdollistaa suurien solujoukkojen otannan tilastollisesti luotettavien analyysien suorittamiseksi.

– En tiedä sanoisiko tätä mikroskopiaksi vai kiikaroinniksi. Optimoitua tumien mikro-CT-kuvausta voisi verrata tilanteeseen, jossa sumun läpi lähes kilometrin päästä mitataan metrin kokoisten rantapallojen täyttöastetta pallojen muotojen perusteella, Tamminen pohtii.

Tutkimus osoitti, kuinka tärkeää poikkitieteellinen tietotaito on.

– Uusien tekniikoiden avulla tunnettua teknologiaa voidaan hyödyntää tehokkaasti ja näin saada välitöntä apua vallitsevien tutkimushaasteiden murtamiseksi, Tamminen sanoo.

Tutkimuksen rahoittivat Suomen Akatemia, Business Finland (TEKES) ja Pirkanmaan liitto.

Tamminen, I., Lehto, K., Hannula, M. et al. A tube-source X-ray microtomography approach for quantitative 3D microscopy of optically challenging cell-cultured samples. Commun Biol 3, 548 (2020). Tutustu tutkimukseen verkossa: https://doi.org/10.1038/s42003-020-01273-w

Lue artikkeli: https://rdcu.be/b7ZXs

Katso myös artikkeliin liittyvä video. Videossa esitetään mikro-CT-kuvattua kuituista biomateriaalia, jonka pinnalla on vasta-aineleimattuja kantasolutumia: https://static-content.springer.com/esm/art%3A10.1038%2Fs42003-020-01273-w/MediaObjects/42003_2020_1273_MOESM5_ESM.mov

Lisätietoja: Ilmari Tamminen, ilmari.tamminen [at] tuni.fi