Een biopsie nemen van een patiënt en het dynamische proces binnenin het monster real life en op nanometerschaal bekijken in een microscoop. Dat is zonder beschadiging van het weefsel tot nu toe bijna onmogelijk, maar het is de droom die onderzoekers aan het Radboudumc met behulp van vloeistoffase-EM.

Je kan zo heel goed kijken naar de dynamische interacties binnenin het monster’

Nico Sommerdijk

Het team van onder meer hoogleraar botbiochemie Nico Sommerdijk en universitair docent Elena Macías-Sánchez ontving begin dit jaar een NWO groot subsidie van € 1,5 miljoen naast een bijdrage van € 500.000 van Radboudumc om zo’n microscoop aan te schaffen én te verbeteren.

Upgrade

Bij vloeistoffase-EM bevindt het monster zich in een waterige oplossing, precies zoals ook vrijwel alle processen in je weefsels. ‘In de machine gebruiken we speciale elektron-transparante houders van siliciumnitride of grafeen’, vertelt Macías-Sánchez. ‘Het lijkt op een aquarium binnenin de microscoop’, voegt Sommerdijk daaraan toe. ‘De uitgezonden elektronen gaan door het monster heen, waarna een detector ze oppikt. Je kan zo heel goed kijken naar de dynamische interacties binnenin het monster.’

Het is nog wel even oppassen met schadelijke werking van elektronen op de biologische moleculen. Alles zal erop gericht zijn om met zo min mogelijk elektronen toch het hoogst mogelijk contrast te halen. Hiervoor zullen de onderzoekers voor dunne monsters transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en voor wat dikkere monsters scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) gebruiken. Voor TEM zal de meeste geavanceerde directe elektronendetector worden ingezet. ‘Dit werkt heel efficiënt, waardoor je minder elektronen hoef te gebruiken voor hetzelfde beeld’, legt Macías-Sánchez uit.

‘Om nog meer uit de microscoop te halen, installeren we ook een zogenoemde phase plate’, vervolgt ze. ‘Daarmee kunnen we het contrast met ongeveer een factor zeven verhogen’. Om dikkere monsters zoals cellen te kunnen bekijken, wil het duo de microscoop verder upgraden. Door op een slimme manier de STEM-bundel te gebruiken, moet het dan mogelijk zijn om steeds slechts 10% van het plaatje te registeren. ‘Een software-algoritme kan uit die 10% dan het hele beeld reconstrueren’, legt Macías-Sánchez uit. ‘Dit maakt de microscoop sneller, terwijl je tegelijkertijd een lagere elektronendosis nodig hebt.’

Impact

De nieuwe faciliteit met de vloeistoffase-elektronenmicroscoop als stralend middelpunt zal een ‘flagship node’ van het Nederlands netwerk voor elektronenmicroscopie (NEMI) worden. De komende jaren zal een consortium – met daarin de VU en ACTA in Amsterdam, de Universiteit Leiden en uiteraard Radboud zelf – er flink gebruik van maken. ‘In een project in Amsterdam gaat een groep onder leiding van Matthijs Verhage bijvoorbeeld het vesicle-gebaseerde transport van neurotransmitters in neuronen in kaart brengen. Dit proces is verstoord bij de ziekte van Alzheimer’, vertelt Sommerdijk. ‘Alexander Kros in Leiden wil gaan kijken naar lipide-gebaseerde complexen om medicijnen gericht af te leveren. En zelf willen we met de microscoop botvormingsprocessen in kaart brengen.’

‘Volgend jaar zomer hopen we de eerste experimenten te gaan uitvoeren’

Elena Macías-Sánchez

Op dit moment moet de microscoop zelf nog aangeschaft worden; dat is gepland voor komend najaar en daarvoor loopt nu nog een Europees aanbestedingsproces. ‘Volgend jaar zomer hopen we de eerste experimenten te gaan uitvoeren’, zegt Macías-Sánchez. ‘Tot die tijd bereiden we het nieuwe elektronenmicroscopiecentrum voor. Er is genoeg werkt te doen.

De verwachtingen zijn hooggespannen, stelt Sommerdijk. ‘Als het inderdaad mogelijk blijkt om dynamische biologische processen op nanometerschaal zonder beschadiging te bekijken, dan twijfel ik er niet aan dat vloeistoffase-EM net zulke impact op de wetenschap gaat hebben als cryo-EM destijds.’