Początki mikroskopii sił atomowych AFM, a w zasadzie jej prekursora, czyli mikroskopii tunelowej STM, sięgają lat 70. ubiegłego wieku. Wtedy to w laboratoriach firmy IBM w Zurychu dr Gerd Binning oraz dr Heinrich Roher skonstruowali swój pierwszy mikroskop tunelowy. Odkrycie to zostało docenione przez społeczność naukową, a w 1986 r. obaj naukowcy otrzymali za nie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Mikroskop STM oczywiście nie nadawał się do obrazowania większości struktur biologicznych, może poza kilkoma wyjątkami, m.in. pojedynczymi łańcuchami białek DNA.

Z biegiem czasu techniką STM zainteresowali się kolejni naukowcy, m.in. Calvin F. Quate i Christoph Garber. Widząc jednak jej ograniczenia, zdecydowali się zmienić sposób pomiaru – sondę, która pierwotnie była wykonana z drutu patynowo-irydowego (PtIr), zamieniono na belkę wykonaną z krzemu z małym ostrzem na końcu belki. Informacja o położeniu była uzyskiwana, poprzez pomiar pozycji lasera na detektorze, po wcześniejszym odbiciu od górnej strony belki. Tak narodziła się mikroskopia sił atomowych AFM i od tamtego czasu przeżywa nieustanny rozkwit. Pojawiają się coraz to nowe tryby pracy, dedykowane do przeróżnych aplikacji, dodatkowe opcje techniczne, ułatwiające pracę z mikroskopem lub umożliwiające prowadzenie badań w różnych środowiskach.

Aplikacje mikroskopii sił atomowych w badaniach biologicznych
Podstawowym zastosowaniem mikroskopu sił atomowych w badaniach materiałów biologicznych jest obrazowanie powierzchni. To jedyna wysokorozdzielcza technika, która umożliwia obrazowanie przeżyciowe w warunkach fizjologicznych. Układ perfuzji oraz specjalny inkubator utrzymują komórki w temperaturze fizjologicznej, wymieniają medium hodowlane, a także usuwają produkty przemiany materii. Oczywiście mikroskop sił atomowych poza obrazowaniem umożliwia nam również inne eksperymenty, wykorzystując techniki funkcjonalizacji sondy pomiarowej, czyli proces, w trakcie którego do powierzchni ostrza sondy przyłączamy wybrany związek chemiczny. Mając sfunkcjonalizowaną sondę, jesteśmy w stanie utworzyć mapę oddziaływań badanego związku z jego receptorami, występującymi na powierzchni badanej komórki lub tkanki.

Techniki wykorzystujące sondy z możliwością przepływu
Najciekawszym narzędziem, jakie pojawiło się na scenie badań biologicznych w ostatnim czasie, jest technologia FlexFPM, czyli możliwość wytworzenia pod- i nadciśnienia wewnątrz sondy pomiarowej. Technologia ta posiada niezliczone możliwości aplikacji w naukach biologicznych, poczynając od ekstrakcji i iniekcji wewnątrzkomórkowej, poprzez sortowanie komórek, na normatywnych badaniach nanomechanicznych komórek kończąc.

Iniekcja i ekstrakcja
Mikroskop FlexFPM to unikalne narzędzie, pozwalające na prostą ekstrakcję materiału z wewnątrz komórki z piko litrową dokładnością, które w połączeniu z obrazowaniem fluorescencyjnym w czasie rzeczywistym, pozwala na prowadzenie badań z niespotykaną wcześniej precyzją. Materiał pobrany z komórki można poddać dalszym badaniom, np. PCR.
Iniekcja materiału do wewnątrz komórki odbywa się z wykorzystaniem tych samych możliwości urządzenia, co w przypadku ekstrakcji, zmianie ulega jedynie kierunek ekstrakcji, jak i iniekcji, komórka pozostaje żywa i może być dalej inkubowana oraz wykorzystana na dalszych etapach badań.

Sortowanie komórek
Po przeprowadzeniu iniekcji, aby ułatwić dalsze badania, pożądane jest posortowanie komórek. Zazwyczaj materiał wstrzyknięty do wewnątrz komórki jest oznaczony markerem fluorescencyjnym, dlatego jego obecność wewnątrz komórki możemy potwierdzić na mikroskopie fluorescencyjnym. Dedykowane oprogramowanie do mikroskopu FlexFPM pozwala zaznaczyć interesujące nas komórki i miejsce docelowe, do którego mają zostać przeniesione. Resztę pracy wykona już za nas urządzenie.

Badania nanomechaniczne
Jednym z najciekawszych kierunków, w którym rozwija się obecnie mikroskopia sił atomowych, jest wykorzystanie badań mechanicznych w diagnostyce chorób, ze szczególnym uwzględnieniem badań nowotworowych. Rok 2012 był pod tym względem przełomowy. Grupa badawcza pod przewodnictwem dr Potthof – ETH Zurych – udowodniła, że sztywność kolonii komórek jest proporcjonalna do stopnia rozwoju nowotworu. W kolejnych latach technika diagnostyczna oparta o mikroskop sił atomowych ulegała rozwojowi. W 2015 r. grupa dr Plodinec potwierdziła możliwość wykorzystania wyników z mikroskopu sił atomowych w szybkiej diagnostyce nowotworowej. Obecnie w kilku wiodących klinikach onkologicznych w Szwajcarii i Francji testowane są pierwsze komercyjne systemy diagnostyczne firmy Nanosurf – FlexANA. Równoległym powodem, dla którego lekarze sięgają po nową technikę diagnostyczną, jest czas otrzymania wyniku badania. Zazwyczaj od pobrania biopsji od pacjenta do uzyskania wyniku mija od 10 do 13 dni. Wykorzystując technikę mikroskopii atomowych, wynik jest już po 2 dniach. Przyśpieszona analiza to przede wszystkim możliwość szybszego rozpoczęcia terapii, ale też i mniejsze obciążenie psychiczne, zarówno dla pacjenta, jak i jego rodziny. W przeciwieństwie do klasycznego pomiaru, wykonywanego metodą obserwacji obrazu komórek pod mikroskopem optycznym, pomiar właściwości mechanicznych wykonywany przez mikroskop AFM jest powtarzalny i zalgorytmizowany, dla pacjenta oznacza to 100% pewność co do uzyskanego wyniku.

Autor: Marcin Lamczyk, Senior Product Manager, Pik Instruments

Pik Instruments jest firmą zajmującą się dystrybucją oraz serwisem nowoczesnych, zaawansowanych urządzeń laboratoryjnych. Specjalizuje się w dziedzinie mikroskopii elektronowej oraz rozwiązaniach dedykowanych do preparatyki próbek mikroskopowych. Zespół wysoko wykwalifikowanych specjalistów zapewnia profesjonalne doradztwo oraz kompleksową obsługę zarówno handlową, jak i serwisową.
www.pik-instruments.pl