Supermicroscoop toont live biologisch proces op nanoschaal

In Nijmegen staat de eerste microscoop ter wereld die biologische processen live in beeld brengt, met zo veel detail dat bewegende eiwitcomplexen zichtbaar zijn. Deze nieuwe microscopische techniek is ontwikkeld door onderzoekers onder leiding van Nico Sommerdijk van het Radboudumc. Als voorbeeld van de nieuwe techniek laat Sommerdijk nu zien hoe aderverkalking ontstaat.

Eerder moesten onderzoekers kiezen. Ze konden met een microscoop heel gedetailleerd naar materiaal kijken, tot op het niveau van moleculen, maar dan alleen in bevroren en daardoor stilstaand materiaal. Of ze konden naar levend en bewegend materiaal kijken, maar dan in veel minder detail. Onderzoekers van het Radboudumc ontwikkelden een techniek, die een combinatie mogelijk maakt. Dat biedt allerlei nieuwe mogelijkheden, zoals kijken hoe het coronavaccin een cel binnendringt, of de eerste stappen van aderverkalking in beeld brengen.

Bescherming

Er waren veel technische uitdagingen. "Als je zo gedetailleerd wilt kijken dat je eiwitcomplexen ziet, dan heb je een zogenaamde elektronenmicroscoop nodig", vertelt Nico Sommerdijk, hoogleraar Botbiochemie van het Radboudumc. "Maar de elektronenstraal die je daarbij gebruikt, beschadigt het biologische materiaal en de vloeistof daaromheen. Dat is niet wenselijk als je de natuurlijke processen in het materiaal wilt bekijken gedurende langere tijd."

De oplossing daarvoor is een beschermende laag aanbrengen rondom het materiaal, dat schade door de elektronenstraal beperkt. Dat kan met grafeen, een supersterke stof die bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. "Maar zodra je dat aanbrengt, begint direct het biologische proces dat je eigenlijk in beeld wilt brengen", legt Sommerdijk uit. "En dan moet je dus nog naar de microscoop rennen, de juiste plek zoeken in het weefsel en de microscoop helemaal goed instellen. Dat duurt minstens een half uur. Dan is je proces soms al voorbij."

Verkalking

Sommerdijk en zijn team bedachten een methode waarmee ze al deze uitdagingen tackelen. Ze brengen een laagje grafeen aan rondom het weefsel en vriezen het dan direct in, zodat biologische processen op pauze gaan. Vervolgens zoeken ze met een lichtmicroscoop de plek in het weefsel die ze in beeld willen brengen. En pas als zo de juiste oriëntatie is bepaald, gaat het materiaal in de nieuwe elektronenmicroscoop, die metingen in vloeistof kan doen. Daarin wordt het materiaal opgewarmd, komen de processen weer op gang, en worden die direct in beeld gebracht op een schaal van enkele nanometers.

Als voorbeeld van wat de nieuwe techniek in kaart kan brengen, laat Sommerdijk met zijn team nu zien hoe calcium neerslaat in een vorm die mogelijk verkalking veroorzaakt van de aders en aortaklep. Promovendus Luco Rutten: "Zit er te veel calciumfosfaat in het bloed, dan kan een bepaald eiwit in het lichaam daaraan binden en voorkomen dat het neerslaat. De nieren ruimen het vervolgens op. We zien onder de microscoop dat die eiwitten met calciumfosfaat bolletjes vormen, die nog afgebroken kunnen worden. Maar die bolletjes kunnen ook groter groeien, dan verandert het calciumfosfaat in kalk, dat niet meer afgebroken wordt." Dat veroorzaakt mogelijk verkalking in het lichaam.

Hartklep op een chip

Voor een verkalkte aortaklep is momenteel nog geen behandeling mogelijk, anders dan de hele klep vervangen. "We weten nog niet goed wat er precies gebeurt bij deze vorm van verkalking, daarom zijn er ook nog geen medicijnen", zegt Sommerdijk. Hij wil dit beter in beeld gaan brengen met de nieuwe microscoop, en kreeg daarvoor recent een ERC Advanced subsidie. In dit project gaat hij een hartklep op een chip ontwikkelen. In eerste instantie zal dit een model voor een gezonde klep zijn, waarin hij vervolgens verkalking introduceert. Dit project gaat van start in 2025.