Högre upplösning på bilder av levande vävnader kommer att ge oss en bättre förståelse för olika sjukdomar. Vid Åbouniversitetens gemensamma organisationer Turku BioImaging och Åbo bioteknikcentrum utvecklar man en ny mikroskopisk teknik som kan ge nya insikter i bland annat cancer, synproblem och neurodegenerativa sjukdomar.
Text och foto: Nicklas Hägen
Välkommen till Hell, Biocity, Åbo Akademis och Åbo universitets gemensamma Åbo bioteknikcentrum. I laboratoriet här, som döpts efter nobelpristagaren Stefan W. Hell, är bordet fyllt med små svarta prylar och lådor som för tankarna till byggsatser i stil med Meccano eller Lego Technic, kompletterat med linser och elektronisk apparatur.
Här håller man på att utveckla ett så kallat fotoakustiskt mikroskop. Det ska hjälpa forskarna gå in under ytan i levande vävnader. Precis som den tekniska utvecklingen hjälpt astronomin i studiet av det stora i universum, kräver studiet av universum på mikronivå – analys av olika molekylers funktioner i våra celler – nya instrument.
Tekniken bakom baserar sig på att ljus framkallar en ljudvåg. Fenomenet är välkänt inom fysiken men tekniken är så unik att man behöver bygga och planera mikroskopet själv. Tekniken, som har många tillämpningar inom medicinsk forskning, har inte etablerats och några färdigbyggda fotoakustiska mikroskop finns inte till salu.
– Idén är att lyssna på ljus. Vi lyssnar på vad som händer när vi fokuserar ljus till en punkt, säger Pekka Hänninen, professor i biofysik vid biomedicinska institutionen vid Åbo universitet.
Hans forskargrupp bestående av Elena Tcarenkova, magisterstuderande inom magisterprogrammet vid Turku BioImaging, och Sami Koho, forskarstuderande inom samma program, står för utvecklingen av mikroskopet.
– Det finns ingen avbildningsteknik som är jämförbar med fotoakustisk mikroskopi. Visserligen finns det teknik med vilken man når djupare men då förlorar man i upplösning. Vi rör oss mellan ett vanligt mikroskop och avbildningstekniker som MRI, PET och CT, säger Hänninen.
Pekka Hänninen (fr.v.), Sami Koho och Elena Tcarenkova. Foto: Nicklas Hägen.
Iakttagelsen påverkar det som iakttas
Utmaningarna i mikroskopi som går under ytan kan exemplifieras av omöjligheten i att se in i handen genom att sätta en ficklampa mot baksidan av den. Ljuset reflekteras i varje hinna och cell och innan det har tagit sig igenom vävnaden har det studsat så många gånger att ingen information finns kvar – allt är bara en röd massa.
De senaste åren har man använt fluorescerande proteiner för att avbilda de proteiner man vill studera. Dessa gör det möjligt att i realtid studera processerna i cellerna men enligt John Eriksson, professor i cellbiologi vid Åbo Akademi, är de inte oproblematiska.
– Du lägger en stor svans på ändan av det protein du vill studera och den kan vara klumpig när det man vill studera ska göra sin grej. Frågan är om det påverkar hur naturen beter sig, säger Eriksson.
– Enligt (Werner) Heisenbergs osäkerhetsprincip påverkar alla iakttagelser själva iakttagelsen. Det är en otrevlig insikt. Men ju mindre iakttagelsen påverkar det man iakttar, desto bättre resultat når vi.
Fotoakustisk mikroskopi är en del av fotoakustisk visualisering, en samling tekniker som öppnar dörren till så kallad inmärkningsfri visualisering. Det innebär att man iakttar molekylära och cellulära vävnadsförlopp i levande vävnader och organismer utan att göra några ingrepp – en teknik som kommer att föra biologin och i förlängningen vården ett stort steg framåt.
Ett fotoakustiskt mikroskop skulle till exempel göra det möjligt för Eriksson att i väldigt hög upplösning titta på blodkärl på molekylnivå, vilket skulle öka förståelsen för läknings- och utvecklingsprocesser i huden. Det skulle i sin tur ha stor betydelse för förståelsen av sårläkning och cancer.
– Cancersvulster förser sig själva med ett eget blodomlopp. De lurar den omgivande vävnadens kapillärer att bete sig som om det fanns ett sår, vilket gör att kapillärerna kommer att växa in i cancervävnaden och förse den med näring och syre. Den här processen är grundläggande både i uppkomsten och i spridningen av tumörer, och många terapeutiska ingrepp går ut på att störa den. Med ett fotoakustiskt mikroskop skulle det här gå att studera i realtid.
Ett annat intresseområde är näthinnan – både för att synproblemen ökar då befolkningen åldras och för att näthinnan är en tidig indikator på neurodegenerativa sjukdomar som demens och Parkinsons sjukdom.
– Näthinnan är hjärnans första utpost och en tidig indikator på att något ogynnsamt är på gång i den. När vi utvecklar terapeutiska metoder att förebygga neurodegenerativa sjukdomar skulle det vara viktigt att i ett tidigt skede kunna diagnosticera att nåt är på gång. För tillfället saknas biokemiska redskap för det och de psykologiska redskap som finns, minnestester och konceptuella tester, ger utslag för sent, säger Eriksson.
Enligt Eriksson är biologiska vävnader som små universum. För varje bråkdel av en millimeter, för att inte tala om hela millimeter, vinner man terräng som aldrig tidigare beskådats.
– Om vi talar om huden är den otroligt stratifierad, du har många lager och allt sker i sitt givna lager. Ju djupare du kan komma desto bättre. Likadant är det med till exempel lymfknutorna eller hjärnan, säger Eriksson.
– Ju djupare man kommer, desto bättre kan man studera hur immunförsvarets respektive nervsystemets celler arbetar – men samtidigt blir det mer och mer utmanande för tekniken. Man får så mycket brus att upplösningen lider.
Fotoakustiska mikroskopbilder av örat på en levande mus.
Punkt för punkt
För att nå djupare har man baserat fotoakustisk mikroskopi på laserteknik och ultraljud. Man belyser vävnaden med en laserpuls och när molekylerna i samplet absorberar ljuset orsakas en tillfällig och mycket lokal värmeökning som får vävnaden att expandera. Vibrationerna orsakar i sin tur ljud: ultraljudssignaler som kan avläsas, förstärkas och omvandlas digitalt för att skapa en bild.
Där ljusvågor bryts upp, förskingras och absorberas, lyckas ljudvågor röra sig längre vägar ostört. Molekylerna i våra kroppar avger ljud på detta sätt hela tiden, men eftersom signalerna är ultraljud rör de sig på frekvenser som är bortom det mänskliga nervsystemets kapacitet. Gränsen för vad ett mänskligt öra kan uppfatta rör sig vid 20 kHz men vi pratar här om våglängder som radio- och telekommunikation hålls på, på tiotals MHz.
Temperaturökningen av laserstrålningen är vanligtvis bara några tusendelar av en grad. Kan man garantera att det inte händer något med vävnaden när den värms upp?
– Något händer säkert men tillsvidare har man inte kunnat identifiera något som stör det man iakttar. Speciellt inte om man tänker sig studera kapillärer och blodomlopp, de är ganska robusta. Signalen är väldigt liten och uppvärmningen är negligerbar, vävnaden har tack vare blodomloppet väldigt stor förmåga att absorbera värme. Den försvinner på en bråkdel av en sekund, säger Eriksson och får medhåll av Hänninen.
– Värmeökningen är så lokal att den är försvinnande. Vi pratar om en volym av en femtoliter, alltså en mikrometer i kubik. Vanliga ultraljud alstrar antagligen mera värme än ett fotoakustiskt mikroskop, säger Hänninen.
Tekniken i fotoakustiska mikroskop påminner om den som används i ultraljudsundersökningar, men i det senare fallet är både de signaler man skickar ut och de man registrerar ljudvågor. I fotoakustisk mikroskopi sker en energikonversion från elektromagnetisk energi, laserljuset, till mekanisk energi, ultraljudet. Det här ger ett bättre förhållande mellan signal och brus, vilket ger en skarpare bild.
– I ljusmikroskop registrerar vi samma ljus som vi skickar ut och har en spridning av ljuset från både ljuskällan och detektorn. I fotoakustisk mikroskopi förlorar vi bara fotoner när vi värmer upp provet, då energin konverteras från elektromagnetisk energi till mekanisk energi, säger Elena Tcarenkova.
– Kontrasten i bilden kommer av att olika vävnader i kroppen absorberar ljus i olika mängd. Samma laserpuls ger med andra ord olika akustiska signaler i olika medier på grund av att deras optiska absorption skiljer sig från varandra.
Mikroskopet ihoppusslat på ett bord. Foto: Nicklas Hägen.
Den slutliga bilden skapas genom så kallad rastrering. Lasern flyttas över provet punkt för punkt och sätts på datorn. Den tid det tar för ljudvågorna att röra sig från vävnaden till detektorn står i proportion till avståndet, vilket gör att man kan få en bild i djupled och skapa en tredimensionell bild. Upplösningen rör sig på samma nivå som i ett ljusmikroskop, vilket är cirka hundra gånger bättre än ultraljud.
Teoretiskt är det möjligt att gå ända till superresolution, men det kunde vara svårt att genomföra i praktiken. Dels för att det kunde bli utmanande att skapa ett detektorsystem som är tillräckligt bra, dels för att det skulle räcka så länge att skapa en bild av så små punkter.
Ljusvågor rör sig med en hastighet av 300 000 km/s medan ljudvågor rör sig betydligt långsammare, 1 500 m/s. Ett på ljud baserat mikroskop är därför betydligt långsammare än ett ljusmikroskop.
– Ett fotoakustiskt mikroskop är långsamt men å andra sidan får vi en komplett 3D-bild i en scanning, säger Sami Koho.
– Ett fotoakustiskt mikroskops riktiga styrka är då man arbetar med relativt stora sampel där optiska mikroskop inte längre fungerar. Bortom en millimeter i tjocklek ser ett ljusmikroskop inte längre någonting. Ett fotoakustiskt mikroskop når djupare än så.