Nieuwe microscoop toont voor het eerst live beeldvorming van biologische processen op nanoschaal

In Nijmegen hebben onderzoekers ’s werelds eerste microscoop geïnstalleerd die biologische processen zo gedetailleerd in beeld kan brengen dat bewegende eiwitcomplexen zichtbaar zijn. Deze nieuwe microscopische techniek is ontwikkeld door onderzoekers onder leiding van Nico Sommerdijk van het Radboudumc. Als demonstratie van deze innovatieve techniek laat Sommerdijk nu zien hoe slagaderverkalking begint.

Voorheen stonden onderzoekers voor een keuze. Ze zouden een microscoop kunnen gebruiken om materiaal tot op moleculair niveau gedetailleerd te onderzoeken, maar alleen in bevroren, bewegingloze monsters. Als alternatief konden ze levend, bewegend materiaal observeren, maar met veel minder details. Radboudumc-onderzoekers hebben een techniek ontwikkeld die beide benaderingen combineert. Dit opent verschillende nieuwe mogelijkheden voor de toekomst, zoals het visualiseren van hoe het COVID-19-vaccin een cel binnenkomt of het vastleggen van de eerste stadia van arteriële verkalking.

Het bijbehorende onderzoek is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde functionele materialen.

Er waren veel technische uitdagingen.

‘Als je eiwitcomplexen zo gedetailleerd wilt zien, heb je een elektronenmicroscoop nodig’, legt Nico Sommerdijk, hoogleraar botbiochemie aan het Radboudumc, uit. “Maar de gebruikte elektronenbundel kan het biologische materiaal en de omringende vloeistof beschadigen, wat ongewenst is als je gedurende langere tijd natuurlijke processen in het materiaal wilt observeren.”

De oplossing is om een ​​beschermlaag rond het materiaal aan te brengen om schade door de elektronenbundel te minimaliseren. Dit kan worden bereikt met grafeen, een ultrasterke stof die bestaat uit een enkele laag koolstofatomen.

“Maar zodra je het toepast, begint het biologische proces dat je wilt vastleggen meteen”, legt Sommerdijk uit. “En dan moet je snel bij de microscoop komen, de juiste plek in het weefsel lokaliseren en de microscoop opstellen. Dit proces duurt minstens een half uur, en soms is het proces dan al voorbij.”

Arteriële verkalking

Sommerdijk en zijn team bedachten een methode om al deze uitdagingen aan te pakken. Ze brengen een laag grafeen aan rond het weefsel en bevriezen dit onmiddellijk, waardoor biologische processen worden gepauzeerd. Vervolgens identificeren ze met behulp van een lichtmicroscoop het specifieke gebied in het weefsel dat ze willen visualiseren. Pas nadat de juiste oriëntatie is bepaald, wordt het materiaal in de nieuwe elektronenmicroscoop geplaatst, die metingen in vloeistof kan uitvoeren. In deze opstelling wordt het materiaal verwarmd, waardoor de biologische processen worden gereactiveerd, die vervolgens direct op nanoschaal worden gevisualiseerd.

Als voorbeeld van wat de nieuwe techniek kan onthullen, laten Sommerdijk en zijn team nu zien hoe kalk zich afzet in een vorm die kan leiden tot verkalking van de slagaders en de aortaklep.

Ph.D. kandidaat Luco Rutten legt uit: ‘Als er te veel calciumfosfaat in het bloed zit, kan een bepaald eiwit in het lichaam daaraan binden, waardoor het niet meer kan neerslaan. De nieren ruimen het vervolgens op. Onder de microscoop zien we dat deze eiwitten kleine bolletjes met calciumfosfaat, die nog afbreekbaar zijn. Maar deze bolletjes kunnen ook groter worden, waardoor calciumfosfaat verandert in verkalkte afzettingen, die niet meer afbreekbaar zijn.”

Dit kan bijdragen aan verkalking in het lichaam.

Hartklep op een chip

Momenteel bestaat er geen andere behandeling voor verkalkte aortakleppen dan volledige klepvervanging.

“We begrijpen nog steeds niet helemaal wat er precies gebeurt bij dit soort verkalkingen, daarom zijn er nog geen medicijnen”, zegt Sommerdijk.

Met de nieuwe microscoop wil hij dit verder onderzoeken. In dit project wil hij een ‘hartklep op een chip’ ontwikkelen. In eerste instantie zal dit een model zijn van een gezonde klep, waarin hij vervolgens verkalking zal aanbrengen. Dit project start in 2025.