Je leest:

Licht uit voor levende cellen

Licht uit voor levende cellen

Auteur: | 1 mei 2005

Levende cellen laten zich moeilijk bestuderen via de microscoop. Er is veel licht nodig om ze in beeld te brengen, en juist daardoor leggen ze snel het loodje. Onderzoekers van het AMC en de Universiteit van Amsterdam hebben een techniek ontwikkeld die de belichting tot een minimum beperkt. Door deze CLEM-methode wordt de celdood uitgesteld zodat het object langer te zien is.

We weten aardig wat over de anatomie van cellen. Dat is vooral te danken aan de ontwikkeling van microscopen die steeds meer in staat zijn de kleinste details bloot te leggen. Bij dergelijk onderzoek wordt altijd gebruik gemaakt van dood materiaal. Maar cellen zijn geen statische onderdelen van een levend organisme: binnenin spelen zich allerlei processen af tussen miljoenen biomoleculen. Om die interacties te begrijpen en daarmee ook inzicht te krijgen in ziekteprocessen, is het belangrijk precies te weten wat er zich in deze fabriekjes afspeelt.

Voorheen gebeurde dit soort onderzoek door biomoleculen uit de cel te halen en de werking ervan in het laboratorium te bestuderen. Op zich geeft dat wel inzicht in de functie ervan, maar in werkelijkheid gaat het niet om geïsoleerde moleculen maar om een complexe wisselwerking daartussen. Het is veel waardevoller ze in een levende cel te volgen.

Ook daarvoor is inmiddels een oplossing bedacht: de levende cel-microscopie. De afgelopen tien jaar heeft deze techniek een hoge vlucht genomen. Hierbij worden de te bestuderen biomoleculen in de cel voorzien van een fluorescerend stofje. Dit stofje straalt na belichting licht uit van een andere kleur. Zo is het mogelijk een 3D-opname te maken en het stofje in de tijd te volgen. Deze extra dimensie – de tijd – heeft geleid tot de ontwikkeling van de 4D-microscopie (zie opname hier beneden).

Zuurstofradicalen

Volgens prof.dr. Ron van Noorden, hoogleraar Celbiologie en voorzitter van de afdeling Celbiologie & histologie van het AMC, is deze methode een geweldige aanwinst. ‘Maar helaas zit er één groot nadeel aan vast. Doordat na fluorescentie het invallende licht in een langere golflengte terugkeert, komt er in de cel energie vrij. Hierdoor ontstaan zuurstofradicalen die de cel kapotmaken. Je kunt de dynamische processen dus maar beperkt in de tijd volgen. De duur is vaak te kort om een goed inzicht te krijgen.’

Het belichten met de zogenaamde confocale microscoop gebeurt pixel voor pixel met een laser. Deze laser maakt vliegensvlug een scan van de cel. Enkele jaren geleden constateerde Erik Manders dat het eigenlijk niet zo slim is om alle onderdelen van een cel even sterk te belichten. Als microscopenexpert op de faculteit Natuurwetenschappen, wiskunde en informatica van de Universiteit van Amsterdam ging hij daarom eerst eens experimenteren met een zwakkere belichting. Het lukte hem de celdeling in de tijd te volgen, wat normaal met een confocale microscoop niet mogelijk is. Het beeld zat vol ruis, maar met zijn bevinding was wel de basis gelegd voor de ontwikkeling van een nieuwe techniek.

Deze Controlled Light Exposure Microscopy (CLEM) werd uitgewerkt door fysicus Ron Hoebe en fysisch-technicus Carel van Oven, beiden werkzaam op de afdeling van Van Noorden. De werking ervan is gebaseerd op Manders’ stelling dat het overbodig en zelfs ongewenst is een levende cel uniform te belichten. De CLEM, die als een kastje tussen de microscoop en de computer zit, is in staat de informatie-arme achtergrond niet te belichten en gebieden met veel informatie korter. Bij iedere pixel bepaalt de computer binnen enkele microseconden hoelang de laser zijn werk moet doen.

Van Oven: ‘Vergelijk het met een fototoestel met computerflitser. De flitser meet de hoeveelheid licht die terugkomt en stopt met flitsen wanneer het object voldoende is belicht. Bij fotografie geldt dit voor het gehele beeld, maar bij CLEM geschiedt de meting per pixel. Achteraf corrigeert de computer iedere reductie zodat er uiteindelijk een normaal beeld ontstaat.’

Een opstelling van een confocale microscoop.

Veel langer leven

Het CLEM-project loopt nu twee jaar. Al na één jaar experimenteren waren er, veel sneller dan verwacht, succesvolle resultaten. Op dit moment lukt het om een levende cel zeven maal zo lang te bestuderen. Ter illustratie toont Hoebe op een monitor twee eerder gemaakte opnamen. De eerste laat een groepje cellen zien dat om de twintig seconden normaal is belicht. De cellen blijken na een half uur af te sterven. De tweede opname betreft dezelfde cellen maar nu met CLEM bekeken. Ditmaal duurt het enkele uren voordat ze uit beeld verdwijnen.

Hoebe, die over twee jaar hoopt te promoveren op het project, denkt dat er nog meer winst is te behalen. ‘We willen in de toekomst meer gebruik gaan maken van de tijdsinformatie. Nu wordt bij ieder beeld elke pixel opnieuw bekeken. Eigenlijk is dat overbodig voor onderdelen van de cel die op dat moment toch niet veranderen. Het idee is om die statische plekken gedurende enige tijd minder te belichten zodat je vooral de veranderingen waarneemt. Wellicht heb je dan met nog minder celschade te maken. Maar of dat lukt, weten we nog niet.’

Ook Van Noorden is erg blij met de nieuwe vinding. Zelf wil hij CLEM gaan inzetten bij zijn onderzoek naar uitzaaiingen van tumoren. Op dit moment zijn daar nauwelijks adequate behandelingen voor. Meer inzicht in de celprocessen zou nieuwe therapieën kunnen opleveren. Zo heeft Van Noorden dankzij 4D-microscopie ontdekt dat de zwervende kankercellen niet het bloedvat hoeven te verlaten om in leven te kunnen blijven.

‘Jarenlang dachten we dat een tumorcel alleen buiten het bloedvat kan overleven. Daarom was de aandacht vooral gericht op het voorkomen van die uittreding. Nu blijkt dus dat ze ook in bloedvaten prima gedijen. We moeten dus een andere strategie zoeken. CLEM kan ons bij dat onderzoek goed van pas komen.’

Nikon

Inmiddels hebben de ontwikkelaars een patent aangevraagd op de CLEM. Met Nikon is afgesproken dat die het kastje gaat produceren en het zal integreren in zijn confocale microscopen. Volgens Hoebe zullen de microscopen met deze extra voorziening, die overigens relatief goedkoop zal zijn, straks op het verlanglijstje staan van iedere onderzoeker die de geheimen van levende cellen wil ontraadselen.

Dit artikel is een publicatie van AMC Magazine.
© AMC Magazine, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 mei 2005
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.