In het verleden zijn er veel ontdekkingen gedaan doordat er betere en nauwkeurigere meetmethoden beschikbaar zijn gekomen, waardoor het mogelijk is gegevens te verkrijgen van voorheen onontgonnen fenomenen. Microscopie met hoge resolutie is bijvoorbeeld begonnen onze perspectieven op celfunctie en -dynamiek drastisch te veranderen. Onderzoekers van het ImmunoSensation2 Cluster of Excellence van de Universiteit van Bonn, het Universitair Ziekenhuis en het onderzoekscentrum Caesar hebben nu een methode ontwikkeld waarmee multifocale beelden de beweging van snelle biologische processen in 3D kunnen reconstrueren.
Veel biologische processen vinden plaats op nano- tot millimeterschaal en binnen milliseconden. Gevestigde methoden zoals confocale microscopie zijn geschikt voor nauwkeurige 3D-opnames, maar missen de temporele of ruimtelijke resolutie om snelle 3D-processen op te lossen en vereisen gelabelde monsters. Voor veel onderzoeken in de biologie is beeldacquisitie met hoge framesnelheden essentieel om de principes vast te leggen en te begrijpen die cellulaire functies of snel diergedrag bepalen. De uitdaging voor de wetenschappers kan worden vergeleken met het volgen van een spannende tenniswedstrijd: soms is het niet mogelijk om de snel bewegende bal nauwkeurig te volgen, of de bal wordt niet ontdekt voordat hij al buiten de baan is.
Met eerdere methoden waren de onderzoekers niet in staat om de opname te volgen omdat het beeld wazig was of het object van interesse zich eenvoudigweg niet meer in het gezichtsveld bevond nadat de foto was genomen. Standaard multifocale beeldvormingsmethoden maken 3D-beeldvorming met hoge snelheid mogelijk, maar worden beperkt door het compromis tussen hoge resolutie en groot gezichtsveld, en ze vereisen vaak heldere fluorescerende labels.
Voor de eerste keer maakt de hierbij beschreven methode multifocale beeldvorming mogelijk met zowel een groot gezichtsveld als een hoge ruimte-temporele resolutie. In deze studie volgen de wetenschappers de beweging van niet-gelabelde bolvormige en filamenteuze structuren snel en nauwkeurig.
Zoals zeer treffend beschreven in de studie, biedt de nieuwe methode nu nieuw inzicht in de dynamiek van flagellaire afstraffing en het verband met het zwemgedrag van sperma. Deze verbinding was mogelijk omdat de onderzoekers in staat waren om de flagellaire slag van vrijzwemmend sperma gedurende een lange periode nauwkeurig in 3D vast te leggen en tegelijkertijd de spermatrajecten van individueel sperma te volgen. Bovendien bepaalden de wetenschappers de 3D-vloeistofstroom rond het kloppende sperma. Dergelijke bevindingen openen niet alleen de deur om de oorzaken van onvruchtbaarheid te begrijpen, maar kunnen ook worden gebruikt in de zogenaamde 'bionics', dwz de overdracht van principes uit de natuur naar technische toepassingen.
Onderzoekers van het ImmunoSensation2 Cluster of Excellence kunnen de nieuwe methode al gebruiken - en niet alleen om sperma te observeren. Deze methode kan ook worden gebruikt om de 3D-stroomkaarten te bepalen die het gevolg zijn van het kloppen van beweeglijke trilhaartjes. Beweeglijke trilhaartjes kloppen op dezelfde manier als de spermastaart en transportvloeistof. Door cilia aangedreven stroming speelt een belangrijke rol in het ventrikel van de hersenen of in de luchtwegen waar het dient om slijm uit de longen en in de keel te transporteren - dit is ook hoe ziekteverwekkers naar buiten worden getransporteerd en worden afgeweerd.
Het multifocale beeldvormingsconcept dat in deze studie wordt gerapporteerd, is kosteneffectief, kan eenvoudig worden geïmplementeerd en is niet afhankelijk van objectlabeling. De onderzoekers beweren dat hun nieuwe methode ook zijn weg kan vinden naar andere gebieden, en ze zien veel andere mogelijkheden toepassingen.
