Lightsheet Brillouin Nanoscopy: mechano-sensitive superresolution imaging for regenerative medicine

Opis projektu

Mechanoczuły mikroskop o najwyższej rozdzielczości na potrzeby medycyny regeneracyjnej

Postępy w mikroskopii poprawiają możliwości obrazowania, ale często nie uwzględniają właściwości mechanicznych. Mechanoczuła mikroskopia pozwoliła wykazać, że lokalna sztywność i lepkosprężystość odgrywają kluczową rolę w rozwoju komórek. Rodzi to ważne pytania dotyczące procesów różnicowania i optymalizacji wzrostu sztucznych tkanek w medycynie regeneracyjnej, a także ujawnia ograniczenia obecnych narzędzi. Zespół finansowanego przez ERBN projektu LiBriNa ma na celu rozwiązanie tego problemu poprzez opracowanie techniki mikroskopii bez znakowania, umożliwiającej obrazowanie lepkosprężystości z rozdzielczością subdyfrakcyjną w żywych tkankach serca, z szybkością akwizycji znacznie przekraczającą istniejące metody. To przełomowe rozwiązanie opiera się na nowatorskim elemencie optycznym do szybkiego obrazowania hiperspektralnego o wysokiej czułości. Dzięki wykorzystaniu osiągnięć w dziedzinie nanoskopii, obrazowania za pomocą arkuszy światła i rozpraszania Brillouina, urządzenie Lightsheet Brillouin Nanoscopy (LiBriNa) ma stać się najszybszym mikroskopem mechanoczułym o najwyższej rozdzielczości.

Cel

Better microscopes have always triggered scientific discovery. Lightsheet microscopy and nanoscopy are no exception and have initiated knowledge jumps in structural and dynamical imaging. However, they do not inform us on mechanical properties. The domain of mechano-sensitive microscopy is still in its infancy yet has already unveiled a stark dependence of cellular development on local stiffness and viscoelasticity. For instance, coordinated strain on the sub-millimetre scale is a key ingredient to grow induced pluripotent stem stells into a beating adult cardiac muscle; without such an environment, a twitching heap of cardiomyocytes develops instead. What are the processes within cells that cause this forked differentiation? How can we optimise the growth of artificial tissue in regenerative medicine? Given the dynamics and 3D nature of the problem, paired with the requirement of sub-cellular resolution, one must conclude that our current instrumentation is not up to the task. Thus, this project aims to develop a label-free microscopy technique that can image viscoelasticity at unprecedented sub-diffraction resolution inside living, differentiating cardiac tissues at order-of-magnitude faster acquisition speeds than previously possible. This will be made possible by a completely new type of optical element that allows snap-shot hyperspectral imaging at unparalleled speed and sensitivity. Transforming latest innovations within nanoscopy and lightsheet imaging and using Brillouin scattering as a proxy for viscoelastic tissue properties on the microscale, Lightsheet Brillouin Nanoscopy (LiBriNa), will be the fastest, most gentle, and highest resolution mechanosensitive microscope ever built. Besides being an enabler technology for cellular biology and regenerative medicine, the project will explore new principles in label-free nanoscopy methodology and initiate innovation jumps in optical instrumentation.