Pracownia obrazowania trójwymiarowego komórek i tkanek oraz mikroskopii korelacyjnej na Uniwersytecie Warmińsko-Mazurskim w Olsztynie to jedyne takie miejsce w Polsce. Umożliwia badanie komórek z użyciem tzw. objętościowej mikroskopii elektronowej. Technikę tę magazyn „Nature” uznał za jedną z siedmiu najbardziej obiecujących w 2023 roku.
Pracownicy Katedry Histologii i Embriologii Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie należą do światowej elity badaczy, którzy mogą opisać, jak naprawdę wygląda cała komórka, zarówno z zewnątrz, jak i wewnątrz. Wszystko to dzięki Pracowni obrazowania trójwymiarowego komórek i tkanek oraz mikroskopii korelacyjnej. To jedyna taka pracownia w Polsce i jedna z najnowocześniejszych w Europie. Umożliwia badanie komórek z użyciem tzw. objętościowej mikroskopii elektronowej. Prestiżowy magazyn naukowy „Nature” uznał ją jedną z siedmiu najbardziej obiecujących technik badawczych w 2023 roku, obok m.in. teleskopu Webba. W Kortowie korzysta się z niej już od ponad dwóch lat.
Komórki pełne tajemnic
Naukowcy od dawna wiedzą, jak zbudowana jest komórka i jakie funkcje pełnią jej poszczególne składniki. Dlaczego zatem nie wiedzieli, jak naprawdę wygląda?
W dotychczas stosowanej technice mikroskopii elektronowej zawsze mieliśmy do czynienia z płaskim, bardzo cienkim wycinkiem, który pokazywał budowę fragmentu komórki w dwóch wymiarach. Wygląd całej komórki odtwarzaliśmy na podstawie analizy wielu wycinków, pochodzących z różnych miejsc komórki, opierając się na swej wiedzy, intuicji i… wyobraźni. Przez 60–70 lat musiało to wystarczać – przekonuje prof. Bogdan Lewczuk, kierownik Katedry Histologii i Embriologii, dziekan Wydziału Medycyny Weterynaryjnej UWM.
W połowie ubiegłego wieku wprowadzono do laboratoriów biologicznych pierwsze mikroskopy elektronowe, które badany preparat „prześwietlają” wiązką elektronów. Dostarczyły bardzo dużo informacji o budowie komórek i tkanek. Ze względu na sposób działania wymagają bardzo cienkich preparatów, o grubości ok. 60 nanometrów, podpartych na specjalnych siatkach. Z przyczyn technicznych preparaty te są bardzo małe, co sprawia, że obserwuje się niewielki wycinek komórki. Tnie się ją w tej technice na skrawki seryjne. Są one tak małe i jest ich tak dużo, że przebadanie ich w mikroskopie elektronowym okazuje się w praktyce niemożliwe. Około 2004 roku nastąpił przełom w technice badania struktury komórek. Do obrazowania zaczęto wykorzystywać elektrony wstecznie rozproszone. Umożliwiły one uzyskanie obrazu powierzchni preparatu, który już nie musiał być bardzo cienki i przepuszczalny dla strumienia elektronów. Doskonalenie tej metody zajęło jeszcze około 10 lat i wymagało postępu w przygotowaniu próbek i konstrukcji mikroskopów.
Technika przyszłości na UWM
Pod koniec 2019 roku Wydział Medycyny Weterynaryjnej kupił i zainstalował nowatorskie urządzenia.
Sercem pracowni jest wysokorozdzielczy skaningowy mikroskop elektronowy wyposażony w detektory elektronów wstecznie rozproszonych o bardzo dużej czułości. Mikroskop ma wiele specyficznych cech budowy i pozwala na badania z użyciem dwóch technik objętościowej mikroskopii elektronowej. Pierwsza z nich polega na tym, że w mikroskopie instaluje się specjalne urządzenie, które za pomocą noża diamentowego usuwa kolejne warstwy o grubości 30–50 nm z badanej próbki. Po usunięciu pierwszej warstwy mikroskop tworzy obraz odsłoniętej powierzchni. Następnie usuwa kolejną warstwę i tworzy kolejny obraz. Powtarza to dowolną liczbę razy. Uzyskujemy w ten sposób stos obrazów. Na przykład: na potrzeby obecnie prowadzonych badań urządzenie w ciągu tygodnia nieustannej pracy wykonało obrazy 900 warstw – opisuje prof. Bogdan Lewczuk.
Komputer sprzężony z mikroskopem układa z poszczególnych warstw obraz przestrzenny i w ten sposób można poznać kształt nie tylko komórek, ale i wszystkich ich składników oraz wzajemne położenie w przestrzeni. Ale to niejedyny sposób zbierania danych za pomocą nowoczesnego sprzętu.
Druga metoda polega na krojeniu bloczka na skrawki seryjne, które są zbierane na taśmie, przypominającej taśmę magnetofonową. Skrawki te wycina ultramikrotom. Następnie skrawki te są badane w mikroskopie z użyciem detekcji elektronów wstecznie rozproszonych – wyjaśnia dziekan WMW.
Jak zatem wygląda komórka? Zupełnie nie przypomina kształtem komórki pszczelego plastra, jajka czy jakiejkolwiek regularnej bryły. Każda jest inna, wielokształtna, postrzępiona, niepodobna do niczego. Mikroskop dostarcza obrazy w odcieniach szarości. Na ekranie komputera widać jednak obrazy przestrzenne i animacje kolorowe. To efekt obróbki komputerowej, którą można wykonać ręczenie lub z użyciem sztucznej inteligencji.
Nauczenie się nowej metody zajęło naukowcom UWM ponad rok. Korzystali także z pomocy ośrodków zagranicznych. Obecnie mają już wyniki badań do kilku pierwszych publikacji. Część wyników przedstawili podczas pierwszej dużej konferencji poświęconej objętościowej mikroskopii elektronowej, która odbyła się w lipcu w USA. Co poszło na pierwszy ogień badań?
Szyszynka – główny obiekt moich zainteresowań naukowych. Jej struktura jest bardzo skomplikowana przestrzennie. Uzyskane wyniki są niesamowite i już zmieniają nasze wyobrażenie o wielu aspektach budowy tego narządu. W kolejce czekają badania siatkówki i zmienionej chorobowo wątroby – zapowiada prof. Lewczuk.
Wyposażenie pracowni daje również inne możliwości niż obrazowanie 3D. Umożliwia także obrazowanie ultrastruktury bardzo dużych skrawków, nawet o wymiarach 2 × 2 mm, które dla klasycznej mikroskopii elektronowej są jak boisko piłkarskie. Pozwala również na obrazowanie tego samego skrawka w mikroskopie fluorescencyjnym i elektronowym, czyli tzw. mikroskopię korelacyjną.
Lech Kryszałowicz, źródło: UWM