Haarvaten en cellen in levende organen onthuld met ultrageluid

Artist’s impression van de nieuwe techniek op basis van ultrageluid, genaamd non-linear sound sheet microscopy. De blauwe lijnen zijn twee geluidsgolven die elkaar kruisen in een X-vormig patroon om cellen en haarvaten in lichaamsweefsel te scannen. De cellen en haarvaten zijn gelabeld met echoprobes (in cyaan en roze), waardoor ze oplichten in echobeelden. (Credits: Maayan Harel, Maresca Lab)

Hoewel medische centra dagelijks echografie gebruiken, kon deze technologie tot nu toe geen lichaamsweefsels op het niveau van cellen bekijken. Fysici van de TU Delft hebben in samenwerking met het Social Brain Lab een microscopietechniek ontwikkeld op basis van ultrageluid die haarvaten en cellen in levende organen zichtbaar maakt—iets wat voorheen niet mogelijk was. Het onderzoek is gepubliceerd in Science.

Echografie is een van de meest gebruikte beeldvormingstechnieken in de geneeskunde. Toch speelde het tot voor kort nauwelijks een rol bij het in beeld brengen van de kleinste structuren in ons lichaam, zoals cellen. “Echoscopie is een klinische toepassing van ultrageluid, die real-time beelden van lichaamsdelen maakt”, legt eerste auteur Baptiste Heiles uit. “Denk bijvoorbeeld aan echo’s tijdens de zwangerschap. We kunnen er diagnoses voor verschillende ziekten mee vaststellen of de ontwikkeling van een baby volgen. Maar wat er op microscopisch niveau gebeurt, blijft verborgen.”

Levende cellen weergeven in 3D

Een team van wetenschappers van de TU Delft, het Nederlands Herseninstituut en Caltech is erin geslaagd om specifiek gelabelde cellen in 3D in beeld te brengen met ultrageluid. Voor het eerst hebben ze levende cellen in hele organen afgebeeld in een volume zo groot als een suikerklontje. Huidige lichtmicroscopen vereisen daarentegen vaak niet-levende monsters voor de beeldvorming, zegt Heiles. “Het relevante monster of orgaan moet worden verwijderd en verwerkt, waardoor je de mogelijkheid verliest om activiteit van cellen in de loop van de tijd te volgen.”

De huidige toonaangevende technologie om te onderzoeken hoe levende cellen zich in 3D gedragen, bijvoorbeeld tijdens de ontwikkeling van embryo’s, heet light sheet microscopy. Deze methode kan alleen doorzichtige of dunne monsters in beeld brengen, omdat licht niet dieper dan 1 mm in ondoorzichtig weefsel kan doordringen. “Ultrageluid kan tot centimeters diep in ondoorzichtig zoogdierweefsel kijken, waardoor niet-invasieve beeldvorming van hele organen mogelijk is. Dit geeft ons informatie over hoe cellen zich in hun natuurlijke omgeving gedragen, iets wat methoden op basis van licht niet kunnen in grotere, levende weefsels”, zegt hoofdonderzoeker David Maresca.

Haarvaten en cellen labelen met echosondes

De sleutel tot deze innovatie in echografie—een methode die Nonlinear sound sheet microscopy heet—was de ontdekking van een geluidsreflecterende sonde die is ontwikkeld in het Shapiro Lab van Caltech. Heiles: “Deze sonde is een met gas gevuld blaasje op nanoschaal dat oplicht in echobeelden, en zo cellen zichtbaar maakt. Deze blaasjes hebben een omhulsel van eiwitten en we kunnen ze zo ontwerpen dat we hun helderheid in beelden kunnen afstemmen. We hebben deze gasblaasjes gebruikt om kankercellen te volgen.

Hersenscans

Naast cellen heeft het team onderzoekers ook haarvaten in de hersenen in beeld gebracht met ultrageluid. Daarvoor gebruikten ze microbellen als sondes die in de bloedbaan circuleren. Heiles: “Voor zover wij weten, is nonlinear sound sheet microscopy de eerste techniek die in staat is om haarvaten in levende hersenen weer te geven. Deze doorbraak heeft enorme potentie om zogeheten small vessel diseases bij patiënten vast te stellen.” Aangezien microbellen al zijn goedgekeurd voor gebruik bij mensen, kan deze techniek binnen enkele jaren in ziekenhuizen worden toegepast.

Potentie voor kankeronderzoek

Buiten de klinische praktijk kan sound sheet microscopy een grote bijdrage leveren aan biologisch onderzoek en in het bijzonder aan de ontwikkeling van nieuwe kankerbehandelingen, aldus Maresca. “Onze beeldvormingstechniek kan gezond weefsel van kankerweefsel onderscheiden. Bovendien kan het de necrotische kern van een tumor laten zien; het centrum van de tumor waar cellen beginnen af te sterven door een gebrek aan zuurstof. Dit kan dus helpen om de voortgang van kanker te volgen en de reactie op behandelingen.”

Auteur: Elianna Kraan, TU delft