Combining Near-Field and Far-Field Microscopy: A new method for nanoscale super-resolution imaging

<b>Lähikenttä- ja kaukokenttämikroskopian yhdistäminen: Uusi korkearesoluutioinen menetelmä nanokuvantamiseen.</b> Osteoporoosi on sairaus, jossa luun uudistumisprosessi ei ole enää tasapainossa. Uuden luun muodostuminen on hitaampaa johtuen osteoblastien laskeneesta aktiivisuudesta. Yksi keino estää osteoporoosin syntyä on estää osteoklastien sitoutuminen luun pinnalle, jolloin ne eivät aloita luun syömisprosessia. Tämän Pro gradu -tutkielman tarkoituksena on luoda uusi työkalu osteoklastien sitoutumisen tutkimiseen samanaikaisesti fluoresenssi- ja atomivoimamikroskoopilla. Tätä tarkoitusta varten yhdistettiin atomivoimamikroskooppi sekä STED mikroskooppi. Kirjallisuuskatsauksessa käydään läpi yksityiskohtaisesti molempien mikroskooppitekniikoiden teoriat. Kokeellisessa osiossa esitetään käytetyt metodit ja alustavat tulokset uudella systeemillä. Lisäksi keskustellaan lyhyesti kuvan analysoinnista ImageJohjelmalla. Konfokaalisen fluoresenssimikroskoopin ja atomivoimamikroskoopin yhdistelmä on keksitty jo aikaisemmin, mutta tavallisen konfokaalimikroskoopin erottelukyvyn raja on noin 200 nanometriä johtuen valon diffraktioluonteesta. Yksityiskohdat eivät erotu, jos ne ovat pienempiä kuin puolet käytettävästä aallonpituudesta. STED mikroskooppi mahdollistaa fluoresenssikuvien taltioimisen solunsisäisistä prosesseista 50 nanometrin lateraalisella erotuskyvyllä ja atomivoimamikroskooppi antaa topografista tietoa näytteestä nanometrien erotuskyvyllä. Biologisia näytteitä kuvannettaessa atomivoimamikroskoopin erotuskyky kuitenkin huononee ja yleensä saavutetaan 30-50 nanometrin erotuskyky. Kuvien kerrostaminen vaatii vertauspisteitä ja tätä varten käytettiin atomivoimamikroskoopin kärjen tunnistamista ja referenssipartikkeleita. Kuva-analysointi suoritettiin ImageJ-kuvankäsittelyohjelmalla. Tuloksista nähdään, että referenssipartikkelit ovat hyviä, mutta niiden sijoittaminen tarkasti tietylle kohdealueelle on hankalaa nanoskaalassa. Tästä johtuen kärjen havaitseminen fluoresenssikuvassa on parempi metodi. Atomivoimamikroskoopin kärki voidaan päällystää fluoresoivalla aineella, mutta tämä lisää kärjen aiheuttamaa konvoluutiota mittausdataan. Myös valon takaisinsirontaa kärjestä voidaan tutkia, jolloin konvoluutio ei lisäänny. Ensimmäisten kuvien kerrostamisessa käytettiin hyväksi fluoresoivalla aineella päällystettyä kärkeä ja lopputuloksessa oli vain 50 nanometrin yhteensopimattomuus fluoresenssi- ja topografiakuvan kanssa. STED mikroskoopin avulla nähdään leimattujen proteiinien tarkat sijainnit tiettynä ajankohtana elävän solun sisällä. Samaan aikaan pystytään kuvantamaan solun fyysisiä muotoja tai mitata adheesiovoimia atomivoimamikroskoopilla. Lisäksi voidaan käyttää funktinalisoitua kärkeä, jolla voidaan laukaista signalointitapahtumia solun ja soluväliaineen välillä. Sitoutuminen soluväliaineeseen voidaan rekisteröidä samoin kuin adheesiomediaattorien sijainnit sitoutumisalueella. Nämä dynaamiset havainnot tuottavat uutta informaatiota solun signaloinnista, kun osteoklasti kiinnittyy luun pintaan. Tämä teknologia tarjoaa uuden näkökulman monimutkaisiin signalointiprosesseihin nanoskaalassa ja tulee ratkaisemaan lukemattoman määrän biologisia ongelmia.