Van lichtvlek tot superscherp beeld

Met een speciale lichtmicroscoop gedetailleerde 3D-opnames maken van eiwitten in levende cellen, zonder die cellen te beschadigen. Dat wil Sjoerd Stallinga, winnaar van een ERC Advanced grant van 2,3 miljoen euro, voor elkaar krijgen. Daarvoor gaat hij samples nanometer voor nanometer scannen met een uitgekiend 3D-lichtpatroon. Een aanpak waarvoor samenwerking tussen verschillende disciplines nodig is.

Computational imaging, daar draait het tegenwoordig om in de wereld van de microscopie. Zonder computer geen beeld.  ‘Met eigen ogen naar een sample kijken onder een lichtmicroscoop doet niemand meer’, zegt hoogleraar Sjoerd Stallinga, voorzitter van de afdeling Imaging Physics. Dan zijn namelijk alleen grote structuren te zien, zoals de eiwitfabriekjes van een cel, de zogenoemde ribosomen. Willen we ook de locatie van individuele eiwitten in een cel te weten komen of hoe eiwitcomplexen in elkaar zitten, dan is een slimme interactie tussen de gebruikte microscopische technieken en beeldverwerkingssoftware essentieel. 

Elkaar versterken

Stallinga’s prijswinnende onderzoeksplan vraagt om samenwerking tussen vier behoorlijk verschillende disciplines, te weten ingenieursoptica, informatica, biochemie en biologie. ‘Zo’n multidisciplinaire insteek kiezen, dat werkt. Dan ontstaan er veel leuke nieuwe dingen.’

‘Bovendien versterken onderzoeksgroepen binnen mijn afdeling elkaar. Technologie ontwikkeld voor de ene beeldvormende techniek, is vaak ook interessant voor het verbeteren van compleet andere beeldvormende technieken’, vervolgt Stallinga. De toekenning van deze ERC-beurs, met een waarde van 2,3 miljoen euro de grootste Europese prijs voor een individuele onderzoeker, ziet hij dan ook niet alleen als een erkenning voor zijn eigen werk, maar ook voor zijn bredere omgeving. ‘Wie hier de gang op loopt, ziet dat al mijn collega’s, net als ikzelf, samenwerken met mensen die hun technieken toepassen, evenals met bedrijven die de technologieën waar ze aan werken verkopen.’
 

Fluorescerende labels

Zijn eigen specialisme is super-resolutiemicroscopie. Met deze Nobelprijswinnende techniek is al in te zoomen tot het niveau waarop individuele eiwitcomplexen zichtbaar zijn. Om echter ook individuele eiwitten en de structuur van eiwitcomplexen in meer detail te bekijken, moet er nog een schepje bovenop. ‘Dan is er een resolutie van 1 tot 5 nanometer nodig’, stelt Stallinga. ‘Dat is ruim vijf keer gedetailleerder dan de standaard super-resolutiemicroscopie.’

Met elektronenmicroscopie is die resolutie al lang haalbaar. Maar die microscoop vraagt niet alleen bewerkingen die een cel uiteindelijk doden, hij kan er ook geen waaier aan fluorescerende labels bij gebruiken om specifieke eiwitten herkenbaar mee te maken en er al helemaal geen 3D-beelden mee maken, iets waar Stallinga zijn zinnen op heeft gezet. 

Fonkelende sterrenhemel

Nobelprijswinnaars Eric Betzig, Stefan Hell en William Moerner ontdekten dat we met lichtmicroscopie een nauwkeuriger beeld kunnen krijgen als we fluorescerende labels aan eiwitten hangen die maar een deel van de tijd licht uitzenden, een soort knipperlichten dus. Twee eiwitten die dicht bij elkaar zitten, zijn toch van elkaar te onderscheiden als op het ene moment het ene eiwit licht uitzendt en op een ander moment het andere eiwit. Zouden ze beide tegelijk licht geven, dan zou er slechts één gecombineerde lichtvlek zichtbaar zijn, geen twee losse. Zien we maar één lichtvlek tegelijk, dan is de plek van ieder eiwit te achterhalen door het middelpunt van die lichtvlek te bepalen.

‘Vergelijk het met een fonkelende sterrenhemel’, stelt de Delftse fysicus. ‘Alleen in ons geval geven de sterren in 99 procent van de tijd géén licht.’ Dat betekent dat als er een sample is waar aan tienduizend eiwitten een lichtgevend label hangt, er op een specifiek tijdstip steeds maar honderd van die labels daadwerkelijk lichtgeven. En die honderd zijn willekeurig verdeeld over het sample, dus de meeste zullen op enige afstand van elkaar liggen. Zo zien we op elk plaatje steeds andere eiwitten. Leg al die gevonden eiwitposities ‘op elkaar’ en er ontstaat een compleet en superscherp beeld.

Strepen en stippen

Om dat beeld nog nauwkeuriger en tegelijkertijd ook 3D te maken wil Stallinga een sample belichten met een 3D-lichtpatroon met donkere en lichte delen. ‘In drie dimensies maken we een patroon van strepen en stippen van licht.’ Daarmee wil hij een soort scan maken, waarbij de helderheid van een lichtvlek op en neer gaat als er een streep of stip van licht langs schuift. Zo is een hogere resolutie te behalen dan bij uniforme belichting. Voordeel is bovendien dat hij op deze manier zo weinig mogelijk licht gebruikt, waardoor het sample, dat grotendeels transparant is, zo min mogelijk beschadigt. ‘Bij uniforme belichting is er zoveel licht nodig, dat je eigen huid er rood van zou worden.’ 

Pathologen

Voor de komende jaren is Stallinga’s doel om in 3D-samples de resolutie in de x- en y-richting te verdubbelen en in de z-richting zelfs te verzesvoudigen. ‘De resolutie in de z-richting is nu vaak drie keer slechter dan in de x- en y-richting.’ Ook grotere volumes – denk aan 100 bij 100 bij 100 micrometer – wil hij mogelijk maken. Dat is niet veel groter dan de dikte van een haar. ‘Maar voor ons is dat vrij groot.’

Als dat allemaal lukt, geeft dat de medische sector allerlei nieuwe mogelijkheden. Beeldvormende technieken spelen in de gezondheidszorg nu al een ontzettend grote rol, stelt Stallinga. Verbeterde super-resolutiemicroscopie kan die rol nog groter maken, bijvoorbeeld bij het zoeken naar aangrijpingspunten voor medicijnen. Denk bijvoorbeeld aan neuro-imaging waarbij met lichtmicroscopie naar de interactie van neuronen wordt gekeken en naar afwijkingen wordt gezocht bij mensen met ziektes zoals Alzheimer.

Daarnaast verwacht hij spin-offs op een ander terrein. ‘We gaan ook nieuwe technieken ontwikkelen voor beeldverwerking en -analyse. Als we generieke oplossingen op dit terrein uitvinden, kunnen bijvoorbeeld ook pathologen daar wat aan hebben voor het beter opsporen van afwijkingen in weefsels.’