Suurinopeuksinen 3D-mikroskooppi paljastaa pienimmätkin yksityiskohdat
Kun eläviä soluja tarkastellaan mikroskoopilla, tutkittava näyte litistetään yleensä tasaiselle lasilevylle, mikä helpottaa solujen havaitsemista. Se kuitenkin rajoittaa solujen käyttäytymistä ja näin saadaan tuotettua ainoastaan kaksiulotteisia kuvia.
3D-mikroskooppeja on jo olemassa, mutta ne ovat hitaita ja niillä saatavat tulokset ovat heikkolaatuisia. Yleisin mikroskooppityyppi toimii siten, että näyte tallennetaan vaiheittaisesti pikseli tai yksittäinen taso kerrallaan, minkä jälkeen kootaan 3D-kuva. Tämä vie aikaa, ja usein on mahdollista saada vain muutama 3D-kuva minuutissa.
– Toistaiseksi ei ole onnistuttu 3D-kuvantamaan sekunneissa tapahtuvaa solutason dynamiikkaa, kuten esimerkiksi yleisesti käytetyn tutkimusorganismin seeprakalan sydämen sykettä tai neuronien aktiivisuutta, kertoo Tampereen yliopiston kokeellisen optiikan ja fotoniikan professori ja projektin johtaja Humeyra Caglayan.
Metaoptiikka ja koneoppiminen edistävät valoon perustuvaa biokuvantamista
Yhdistämällä monitieteistä asiantuntemusta kolmesta Tampereen yliopiston tutkimusryhmästä, Caglayan ja hänen tiiminsä pyrkivät kehittämään uusia menetelmiä hyvin nopeaan volumetriseen 3D-mikroskopiaan.
Caglayanin johtaman metaplasmoniikan tutkimusryhmän lisäksi mukana ovat professori Atanas Gotchevin ja tohtori Erdem Sahinin johtama 3D Media -ryhmä sekä tohtori Teemu Ihalaisen johtama solubiofysiikan ryhmä. Hankkeeseen osallistuu myös Grundium oy, joka on merkittävä mikroskooppien valmistaja Tampereen seudulla.
– Tutkimusryhmämme hyödyntää kehittyviä litteitä optisia elementtejä eli metaoptiikkaa. Yhdessä nykyaikaisten koneoppimisen algoritmien kanssa tämä voi mahdollistaa laskennallisessa kuvantamisjärjestelmässä poikkeavia, optisia toiminnallisuuksia resoluutioilla, jotka alittavat aallonpituuden. Metaoptiikkaa ja neuraalisen kuvankäsittelyn komponentit mahdollistavat yhdessä uudenlaisen teknologian, joka ylittää 3D-mikroskopian perinteiset rajoitukset, Caglayan sanoo.
Tällaisella teknologialla saadaan 3D-kuvia, joista pienimpiäkin yksityiskohtia voidaan tutkia selkeästi ja erottuvasti, sekä tilassa että ajassa.
– Voimme hyödyntää volumetristä 3D-kuvantamista siten, että kuvien ottamiseen tarvittava aika ja valoannos voidaan pitää mahdollisimman pieninä. Tutkimusteknologiamme voi edistää merkittävästi valoon perustuvaa kuvantamista biotieteiden ja biolääketieteen tutkimusaloilla. Esimerkkinä voisi mainita syöpäsolujen vuorovaikutuksen havainnoinnin 3D soluviljelmissä, Caglayan lisää.
High-speed 3D microscopy -hanke alkaa huhtikuussa 2023 ja kestää vuoden 2025 loppuun. Tutkimusta rahoittaa Jane ja Aatos Erkon säätiön sekä Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiön yhteinen Future Makers -ohjelma.
Lisätietoa
Humeyra Caglayan
050 447 8330
humeyra.caglayan [at] tuni.fi
