Kể từ mô tả đầu tiên của Robert Hooke về tế bào trong cuốn sách “Hình ảnh vi thể” (Micrographia) 350 năm trước, kính hiển vi đã đóng một vai trò rất quan trọng trong việc tìm hiểu các quy luật của cuộc sống.

Tuy nhiên, đặc tính phân giải nhỏ nhất, độ phân giải, bị hạn chế bởi bản chất sóng của ánh sáng. Rào cản có từ hàng thế kỷ này đã hạn chế sự hiểu biết về các chức năng, sự tương tác và động lực học của tế bào, đặc biệt là ở phạm vi dưới micron đến nanomet.

Mặc dù, kính hiển vi huỳnh quang siêu phân giải (Super-resolution fluorescence microscopy) đã vượt qua được các giới hạn cơ bản này, giúp cải thiện độ phân giải lên gấp 10 lần và cho phép các nhà khoa học hình dung được những hoạt động bên trong của các tế bào và các phân tử sinh học với độ phân giải không gian chưa từng có, tuy nhiên, khả năng phân giải của nó vẫn bị cản trở khi quan sát bên trong toàn bộ các mẫu tế bào hoặc mẫu mô, chẳng hạn như các mẫu vật tiêu bản thường được phân tích trong các nghiên cứu về ung thư hoặc não bộ. Các tín hiệu ánh sáng, phát ra từ các phân tử bên trong mẫu vật, đi qua các phần khác nhau của tế bào hoặc cấu trúc mô ở các tốc độ khác nhau, dẫn đến hiện tượng quang sai, hình ảnh bị mờ.

Mới đây, các nhà nghiên cứu của Trường Đại học Purdue đã nghiên cứu phát triển một công nghệ mới để vượt qua được những thách thức này.

Fang Huang, Phó Giáo sư kỹ thuật y sinh, nói: “Công nghệ của chúng tôi cho phép chúng tôi đo được các biến dạng phần đầu sóng được gây ra bởi các mẫu, hoặc tế bào hoặc mô nào đó, trực tiếp từ các tín hiệu được tạo ra bởi các phân tử đơn - nguồn ánh sáng nhỏ gắn vào các cấu trúc tế bào quan trọng”.

“Bằng cách nắm rõ sự biến dạng được gây ra này, chúng tôi có thể xác định được vị trí của các phân tử riêng lẻ với độ chính xác và độ nét cao. Chúng tôi thu được hàng ngàn đến hàng triệu tọa độ của các phân tử riêng lẻ trong một tế bào hoặc thể tích mô và sử dụng các tọa độ này để tiết lộ cấu ​​trúc của các thành phần mẫu vật ở phạm vi nano”, Fang Huang, phó giáo sư kỹ thuật y sinh, nói:

Công nghệ này của nhóm nghiên cứu Purdue đã được xuất bản trên tạp chí Nature Methods gần đây.

“Trong quá trình chụp ảnh siêu phân giải ba chiều, chúng tôi đã ghi lại hàng ngàn đến hàng triệu mẫu phát xạ của các phân tử huỳnh quang đơn lẻ”. Nghiên cứu sinh bậc sau tiến sĩ Fan Xu, làm việc tại phòng thí nghiệm của Huang, đồng tác giả đầu tiên của bài báo cho biết.“Công nghệ của chúng tôi sử dụng hai bước: gán và cập nhật, để lặp đi lặp lại sự biến dạng của sóng và các phản ứng 3-D từ bộ dữ liệu phân tử đơn có chứa các mẫu phát xạ của các phân tử tại các vị trí tùy ý được ghi lại”.

Công nghệ Purdue cho phép tìm ra các vị trí của các phân tử sinh học với độ chính xác xuống đến vài nanomet, toàn bộ bên trong tế bào và mô và do đó, phân giải các cấu ​​trúc tế bào và mô với độ phân giải và độ trung thực rất cao.

Donghan Ma, nhà nghiên cứu sau bậc sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Huang nhấn mạnh thêm rằng, sự tiến bộ của công nghệ này giúp mở rộng khả năng ứng dụng thường xuyên của kính hiển vi siêu phân giải từ nhắm mục tiêu các tế bào được lựa chọn gần lá kính bảo vệ đến nhắm mục tiêu các tế bào bên trong và ngoài tế bào nằm sâu bên trong các mô. Khả năng mới này có thể cho phép hiểu rõ hơn về các bệnh thoái hóa thần kinh như Alzheimer và nhiều bệnh khác ảnh hưởng đến não và các bộ phận khác nhau trong cơ thể.

“Sự tiến bộ kỹ thuật này là đáng ngạc nhiên và sẽ thay đổi căn bản tính chính xác trong đánh giá các đặc điểm bệnh lý của bệnh Alzheimer. Chúng tôi có thể quan sát thấy các vật thể nhỏ và rất nhỏ và sự tương tác của chúng với nhau. Điều này giúp tiết lộ sự phức tạp về cấu trúc mà chúng tôi chưa đánh giá được trước đây”, Landreth, thành viên nhóm nghiên cứu nói.

Calve, thành viên nhóm nghiên cứu cũng cho biết, công nghệ này là một bước tiến trong các liệu pháp tái tạo để giúp thúc đẩy phục hồi và “sửa chữa” trong cơ thể. Sự phát triển này là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về sinh học mô và có thể hình dung những thay đổi trong cấu trúc tế bào.

Chubykin, thuộc phòng thí nghiệm tập trung bệnh tự kỷ và các bệnh ảnh hưởng đến não, nói thêm rằng, công nghệ hình ảnh độ phân giải cao này cung cấp một phương pháp mới để hiểu những khiếm khuyết trong não. Đây là một bước đột phá to lớn về mặt phân tích chức năng và cấu trúc. Chúng ta có thể quan sát chi tiết hơn nhiều về bộ não và thậm chí đánh dấu các tế bào thần kinh cụ thể bằng các công cụ di truyền để nghiên cứu sâu hơn.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đã làm việc với Văn phòng Thương mại Công nghệ Purdue để xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ này.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2020-05-imaging-technology-visualization-nanoscale-cells.html, 4/5/2020