Nowa pracownia weterynarii olsztyńskiej uczelni - jedyna taka w Polsce

Naukowcy z Wydziału Medycyny Weterynaryjnej UWM dostąpili tego naukowego wyróżnienia dzięki dzięki Pracowni obrazowania trójwymiarowego komórek i tkanek oraz mikroskopii korelacyjnej. Jest to jedyna taka pracowania w Polsce i jedna z najnowocześniejszych w Europie. Umożliwia badanie komórek z użyciem tzw. objętościowej mikroskopii elektronowej. Prestiżowy magazyn naukowy „Nature” uznał ją jedną z siedmiu najbardziej obiecujących technik badawczych w 2023 r., obok teleskopu Webba. W Kortowie korzysta się z niej już od ponad dwóch lat.

Komórki pełne tajemnic

Naukowcy od dawna wiedzą, jak zbudowana jest komórka i jakie funkcje pełnią jej poszczególne składniki. Dlaczego zatem nie wiedzieli, jak naprawdę wygląda?

— W dotychczas stosownej technice mikroskopii elektronowej zawsze mieliśmy do czynienia z płaskim, bardzo cienkim wycinkiem, który pokazywał budowę fragmentu komórki w dwóch wymiarach. Wygląd całej komórki odtwarzaliśmy na podstawie analizy wielu wycinków, pochodzących z różnych miejsc komórki, opierając się na swej wiedzy, intuicji i… wyobraźni. Przez 60 – 70 lat to musiało wystarczać — wyjaśnia prof. Bogdan Lewczuk, kierownik Katedry Histologii i Embriologii, dziekan Wydziału Medycyny Weterynaryjnej UWM.

W latach 50. XX wieku wprowadzono do laboratoriów biologicznych pierwsze mikroskopy elektronowe, które badany preparat „prześwietlają” wiązką elektronów. Dostarczyły bardzo dużo informacji o budowie komórek i tkanek. Ze względu na sposób działania wymagają bardzo cienkich preparatów, o grubości ok. 60 nanometrów, (1 nanometr = 0,000001 mm), podpartych na specjalnych siatkach. Z przyczyn technicznych preparaty te są bardzo małe, co sprawia, że obserwujemy niewielki wycinek komórki. Tnie się ją w tej technice na skrawki seryjne. Są one tak małe i jest ich tak dużo, że przebadanie ich w mikroskopie elektronowym jest w praktyce niemożliwe. Mogłoby zająć całe życie badacza. Około roku 2004 nastąpił przełom w technice badania struktury komórek. Do obrazowania zaczęto wykorzystywać elektrony wstecznie rozproszone. Umożliwiły one uzyskanie obrazu powierzchni preparatu, który już nie musiał być bardzo cienki i przepuszczalny dla strumienia elektronów. Doskonalenie tej metody zajęło jeszcze około 10 lat i wymagało postępu w przygotowaniu próbek i konstrukcji mikroskopów.

Technika przyszłości na UWM

Pod koniec 2019 r. Wydział Medycyny Weterynaryjnej kupił i zainstalował nowatorskie urządzenia.

— Sercem pracowni jest wysokorozdzielczy skaningowy mikroskop elektronowy wyposażony w detektory elektronów wstecznie rozproszonych o bardzo dużej czułości. Mikroskop ma wiele specyficznych cech budowy i pozwala na badania z użyciem dwóch technik objętościowej mikroskopii elektronowej. Pierwsza z nich polega na tym, że w mikroskopie instaluje się specjalne urządzenie, które za pomocą noża diamentowego usuwa kolejne warstwy o grubości 30 – 50 nm z badanej próbki. Po usunięciu pierwszej warstwy mikroskop tworzy obraz odsłoniętej powierzchni. Następnie usuwa kolejną warstwę i tworzy kolejny obraz. Powtarza to dowolną liczbę razy.

Uzyskujemy w ten sposób stos obrazów. Na przykład: na potrzeby obecnie prowadzonych badań urządzenie w ciągu tygodnia nieustannej pracy wykonało obrazy 900 warstw.

Obraz przestrzenny jądra komórkowego (ciemnoniebieskie), mitochondriów (czerwone) i aparatu Golgiego (szaroniebieski) i siateczki śródplazmatycznej (żółta)

Komputer sprzężony z mikroskopem z poszczególnych warstw układa obraz przestrzenny i w ten sposób możemy poznać kształt nie tylko komórek, ale i wszystkich ich składników oraz wzajemne położenie w przestrzeni – mówi prof. Bogdan Lewczuk.

To niejedyny sposób zbierania danych za pomocą nowoczesnego sprzętu.

— Druga metoda polega na krojeniu bloczka na skrawki seryjne, które są zbierane na taśmie, przypominającej taśmę magnetofonową. Skrawki te wycina ultramikrotom. Następnie, skrawki te są badane w mikroskopie z użyciem detekcji elektronów wstecznie rozproszonych – wyjaśnia dziekan WMW. – Ultramikrotom to nóż tnący do skrawania tkanki. Mamy go jako jedyni w Polsce i nieliczni w Europie. Do niedawna był on sprzedawany jako wersja prototypowa tylko doświadczonym użytkownikom — dodaje.

Jak zatem wygląda komórka?

Zupełnie nie przypomina kształtem komórki pszczelego plastra, jajka czy jakiejkolwiek regularnej bryły. Każda jest inna, wielokształtna, postrzępiona, niepodobna do niczego, a jeśli już – to do skręconej ścierki. Ani ładna, ani brzydka. Mikroskop dostarcza obrazy w odcieniach szarości. Na ekranie komputera widzimy jednak obrazy przestrzenne i animacje kolorowe. To efekt obróbki komputerowej, którą można wykonać ręczenie lub z użyciem sztucznej inteligencji.

Nauczenie się nowej metody zajęło naukowcom UWM ponad rok. Korzystali także z pomocy ośrodków zagranicznych. Obecnie mają już wyniki badań do kilku pierwszych publikacji. Część wyników przedstawili podczas pierwszej dużej konferencji poświęconej objętościowej mikroskopii elektronowej, która odbyła się w lipcu br. w USA.

Co poszło na pierwszy ogień badań?

— Szyszynka – główny obiekt moich zainteresowań naukowych. Jej struktura jest bardzo skomplikowana przestrzennie. Uzyskane wyniki są niesamowite i już zmieniają nasze wyobrażenie o wielu aspektach budowy tego narządu. W kolejce czekają badania siatkówki i zmienionej chorobowo wątroby — mówi prof. Lewczuk.

Drzwi pracowni otwarte dla badaczy

Dziekan Wydziału Medycyny Weterynaryjnej podkreśla, że pracowania jest otwarta dla innych naukowców. – Czekamy na ciekawe tematy badawcze. Spodziewamy się, że pracy nie zabraknie. Nasze obrazy mogą być również atrakcyjnym obiektem badań dla osób zajmujących się przetwarzaniem i analizą z użyciem sztucznej inteligencji.

Wyposażenie pracowni daje również inne możliwości niż obrazowanie 3D. Umożliwia także obrazowanie ultrastruktury bardzo dużych skrawków, nawet o wymiarach 2 na 2 mm, które dla klasycznej mikroskopii elektronowej są jak boisko piłkarskie. Pozwala również na obrazowanie tego samego skrawka w mikroskopie fluorescencyjnym i elektronowym, czyli tzw. mikroskopię korelacyjną.

Lech Kryszałowicz
Źródło: UWM