Geautomatiseerde microfluïdica Eenvoudigere beeldvorming met hoge resolutie van talrijke celstructuren

Een gastbijdrage van Roman Tsukanov, Onderzoek, Multischaalbiologie, Faculteit Biologie en Psychologie, Universiteit van Göttingen | Vertaald door AI 6 min Leestijd

Related Vendor

Superresolutiemicroscopie maakt moleculaire structuren met nanometerprecisie zichtbaar. Complexe multiplex-experimenten vergen echter nog steeds vele uren handmatig werk. Geautomatiseerde microfluïdica vereenvoudigt deze processen, verhoogt de reproduceerbaarheid en maakt de weg vrij voor intelligente microscopie.

Afb. 1: Vijfvoudig gemultiplexte DNA-PAINT-superresolutieopname met geautomatiseerde microvloeistoftechnische vloeistofwisseling.(Bild:  III. Instituut voor Fysica – Biofysica, Universiteit van Göttingen; Aangepast naar Basak et al., ACS Nano 20 (2026), onder de CC BY 4.0-licentie)
Afb. 1: Vijfvoudig gemultiplexte DNA-PAINT-superresolutieopname met geautomatiseerde microvloeistoftechnische vloeistofwisseling.
(Bild: III. Instituut voor Fysica – Biofysica, Universiteit van Göttingen; Aangepast naar Basak et al., ACS Nano 20 (2026), onder de CC BY 4.0-licentie)

Decennialang was een van de belangrijkste doelstellingen van de microscopie het bereiken van een steeds hogere ruimtelijke resolutie. Moderne superresolutiemicroscopie (SRM) heeft deze grens inmiddels verlegd tot ongeveer tien nanometer. Hierdoor kunnen structuren op nanoschaal en de organisatie van eiwitten zichtbaar worden gemaakt die met conventionele lichtmicroscopie niet kunnen worden waargenomen.

Van een hogere resolutie naar meer biologische informatie

Biologische systemen zijn echter complex. Een cel bevat talrijke organellen en structuren die op elkaar inwerken. Hun ruimtelijke organisatie hangt nauw samen met de celfunctie. Daarom willen onderzoekers tegenwoordig niet alleen afzonderlijke structuren zo scherp mogelijk in beeld brengen, maar ook zoveel mogelijk bestanddelen van een cel of weefsel in hun ruimtelijke relatie tot elkaar onderzoeken.

Multiplex superresolutiemicroscopie is daarmee een belangrijk hulpmiddel geworden voor moderne biologische beeldvorming. Tegelijkertijd ontstaat er echter een praktische uitdaging: hoe meer informatie er uit een monster moet worden verkregen, hoe complexer de experimentele procedures worden – en hoe moeilijker het is om deze handmatig uit te voeren.

DNA-PAINT maakt moleculaire multiplexing mogelijk

Bij conventionele meerkleurige fluorescentiemicroscopie worden verschillende structuren gemarkeerd met fluoroforen in verschillende kleuren. In de praktijk kan echter slechts een beperkt aantal doelstructuren betrouwbaar van elkaar worden onderscheiden. 

DNA-PAINT hanteert een andere aanpak: korte DNA-sequenties coderen de identiteit van verschillende doelmoleculen. Complementaire, met fluorescentie gemerkte DNA-sondes genereren vervolgens de signalen die nodig zijn voor beeldvorming met hoge resolutie. Cruciaal is dat verschillende doelstructuren achtereenvolgens met dezelfde fluorescentiekleurstof kunnen worden afgebeeld. Hierdoor kunnen veel beperkingen van de conventionele meerkleurenmicroscopie worden omzeild.

Bij de zogenaamde Exchange-PAINT-methode worden fluorescerende DNA-sondes achtereenvolgens in het monster ingebracht en weer verwijderd. Op deze manier kunnen talrijke structuren binnen hetzelfde biologische monster achtereenvolgens zichtbaar worden gemaakt. De methode biedt daarmee een grote flexibiliteit voor multiplex-experimenten – de praktische uitvoering wordt echter steeds complexer naarmate het aantal te onderzoeken doelstructuren toeneemt.

Handmatig werk vormt een knelpunt

Elke Exchange-PAINT-opnamecyclus omvat het toevoegen van de DNA-sondes, het maken van de opname en verschillende wasstappen. Een multiplex-experiment vereist daarom talrijke vloeistofwisselingen en duurt doorgaans enkele uren.

Als deze stappen handmatig worden uitgevoerd, vereisen ze voortdurende aandacht. Verschillen bij het pipetteren, wassen of de incubatietijden kunnen de reproduceerbaarheid en uiteindelijk ook de beeldkwaliteit beïnvloeden. Tegelijkertijd beperkt de handmatige uitvoering de doorvoercapaciteit van monsters.

Hier komt een fundamentele uitdaging van de moderne microscopie naar voren: terwijl de beeldvormingstechnologieën steeds krachtiger worden, zijn veel experimentele processen nog steeds gebaseerd op handmatige monsterbehandeling. De automatisering daarvan kan daarom net zo belangrijk zijn als de verdere ontwikkeling van de microscoop zelf.

Microfluïdica automatiseert de beeldvormingsworkflow

Om dit knelpunt weg te nemen, hebben we een geautomatiseerd microfluïdica-platform ontwikkeld voor multiplex superresolutiemicroscopie.

Afb. 2: Geautomatiseerd microfluïdica-platform voor multiplex superresolutiemicroscopie.(Bild:  III. Instituut voor Fysica – Biofysica, Universiteit van Göttingen)
Afb. 2: Geautomatiseerd microfluïdica-platform voor multiplex superresolutiemicroscopie.
(Bild: III. Instituut voor Fysica – Biofysica, Universiteit van Göttingen)

In plaats van de beeldvormingsoplossingen handmatig te vervangen, worden verschillende reagentia via afzonderlijke vloeistofkanalen aangevoerd en door de software gestuurd in de monsterkamer gebracht. Een soepele regeling met perslucht zorgt voor een snelle en reproduceerbare wisseling van de oplossing, terwijl het monster zo min mogelijk wordt belast en het verbruik van reagentia laag blijft.

In plaats van de beeldvormingsoplossingen handmatig te vervangen, worden verschillende reagentia via afzonderlijke vloeistofkanalen aangevoerd en onder besturing van de software in de monsterkamer gebracht. Een soepele regeling met perslucht zorgt voor een snelle en reproduceerbare oplossingwisseling, terwijl het monster zo min mogelijk wordt belast en het reagensverbruik laag blijft.

Schrijf u nu in op de nieuwsbrief

Mis onze beste inhoud niet

Door op 'Abonneren op nieuwsbrief' te klikken, geef ik toestemming voor de verwerking en het gebruik van mijn gegevens in overeenstemming met het toestemmingsformulier (voor details uitvouwen) en accepteer ik de Tgebruiksvoorwaarden. Raadpleeg ons Privacybeleid voor meer informatie. De toestemmingsverklaring heeft met name betrekking op het verzenden van redactionele nieuwsbrieven per e-mail en op de combinatie van gegevens voor marketingdoeleinden met geselecteerde advertentiepartners (bijvoorbeeld LinkedIn, Google, Meta).

Vouw uit voor details over uw toestemming

Het systeem is bewust ontworpen als modulair aanvullend systeem en kan worden gecombineerd met bestaande microscopieplatforms. Voor complexere experimenten kunnen indien nodig eenvoudig extra vloeistofkanalen worden toegevoegd.

Dit biedt duidelijke voordelen voor de dagelijkse praktijk in het laboratorium: een hogere reproduceerbaarheid, minder handmatig werk, een lager verbruik van reagentia en een hogere monsterdoorvoer. Bovenal kunnen complexe beeldvormingsprotocollen op gestandaardiseerde wijze worden uitgevoerd, zonder dat elke afzonderlijke stap handmatig hoeft te worden uitgevoerd.

Een bijzondere uitdaging: gevoelige hartspiercellen

De voordelen van een gecontroleerde vloeistoftoevoer komen vooral tot uiting bij gevoelige biologische monsters.

Primaire cardiomyocyten zijn grote hartspiercellen die soms slechts zwak aan het oppervlak van de monsterkamer hechten. Herhaaldelijk handmatig wassen kan de cellen mechanisch belasten of ze zelfs van het oppervlak losmaken. Voor multiplexbeeldvorming moet dezelfde cel echter gedurende meerdere opeenvolgende opnamecycli stabiel blijven.

Het microfluïdica-platform zorgt voor een nauwkeurig geregelde en zachte vloeistofstroom. Hierdoor konden de DNA-PAINT-oplossingen herhaaldelijk worden vervangen zonder de cardiomyocyten tijdens het experiment te beschadigen.

Met deze aanpak konden vijf verschillende doelstructuren binnen afzonderlijke cardiomyocyten in beeld worden gebracht. De resulterende superresolutiebeelden tonen de gedetailleerde nanoschaalrangschikking van membraangebonden eiwitten binnen dezelfde cel. Tegelijkertijd maken de resultaten duidelijk dat geautomatiseerde microfluïdica complexe multiplexopnames mogelijk maakt, zelfs bij gevoelige biologische monsters.

Van geautomatiseerde vloeistoftechniek tot geautomatiseerde microscopie

De mogelijkheden van microfluïdische automatisering reiken veel verder dan het uitwisselen van DNA-sondes.

Aangezien het systeem softwaregestuurd werkt, kan de wisseling van oplossing direct in het opnameproces worden geïntegreerd. De microscoop zou eerst de eerste met fluorescentie gemerkte structuur kunnen vastleggen en vervolgens automatisch de wasbeurten en de vervanging van de DNA-sonde kunnen uitvoeren, voordat het opnameproces wordt voortgezet.

Ontwikkeling van een toepassingsspecifieke microfluïdica-opstelling en/of een toekomstgericht concept voor een geïntegreerde microscopieworkflow bestaande uit geautomatiseerde microfluïdica, modulaire microscopie, beeldanalyse en adaptieve experimentele besturing.(Bild:  Dr. Samrat Basak, LMU München)
Ontwikkeling van een toepassingsspecifieke microfluïdica-opstelling en/of een toekomstgericht concept voor een geïntegreerde microscopieworkflow bestaande uit geautomatiseerde microfluïdica, modulaire microscopie, beeldanalyse en adaptieve experimentele besturing.
(Bild: Dr. Samrat Basak, LMU München)

Op deze manier kan niet alleen een afzonderlijke werkstap, maar op termijn de gehele experimentele workflow worden geautomatiseerd. Complexe experimenten, die vandaag de dag continue begeleiding door ervaren gebruikers vereisen, zouden volgens gestandaardiseerde protocollen met minimale handmatige tussenkomst kunnen verlopen. Hierdoor zou multiplex superresolutiemicroscopie ook voor niet-specialisten, imaging-corefaciliteiten en grotere studies gemakkelijker toegankelijk kunnen worden.

De volgende stap bestaat erin om dergelijke workflows niet alleen te automatiseren, maar ook adaptief te maken. Beeldinformatie die tijdens het experiment wordt verkregen, zou door de software kunnen worden geanalyseerd en gebruikt om de volgende experimentele stap te bepalen – bijvoorbeeld het aanpassen van opnameparameters, het selecteren van een nieuw beeldgebied of het gericht vervangen van een oplossing.

Op weg naar slimme microscopie

Een veelbelovend platform voor dergelijke workflows is de modulaire Flamingo-lichtbladmicroscoop.

Flamingo is ontworpen als een draagbaar beeldvormingsplatform waarvan de optica, hardware en software aan verschillende experimentele vereisten kunnen worden aangepast. De modulaire architectuur biedt daarmee een geschikte basis om geautomatiseerde vloeistofstroming te combineren met beeldregistratie en adaptieve microscopieprotocollen.

De langetermijnvisie is een intelligente microscoop waarbij beeldvorming, monstermanipulatie en gegevensanalyse niet langer als afzonderlijke stappen plaatsvinden. In plaats daarvan zou informatie die tijdens het opnemen wordt verkregen het experiment in realtime kunnen sturen – bijvoorbeeld door relevante beeldgebieden te selecteren, de opnameparameters aan te passen of een wisseling van oplossing in gang te zetten.

Microfluïdica speelt hierbij een belangrijke rol: hierdoor kan de microscoop niet alleen een monster observeren, maar er ook gericht op inwerken en de omgeving ervan nauwkeurig regelen.

Waarom microfluïdica belangrijk is voor multiplexmicroscopie

Multiplex superresolutiemicroscopie maakt veel structuren, zoals eiwitconfiguraties, in hetzelfde monster zichtbaar. Met elk extra doel komen er echter was-, incubatie- en vloeistofwisselingen bij. Microfluïdica automatiseert deze repetitieve stappen, verbetert de reproduceerbaarheid en vermindert de werklast en het monsterverbruik. 

Door de directe koppeling van vloeistofstromen en beeldregistratie kunnen complexe, door experts opgestelde protocollen worden omgezet in gestandaardiseerde, schaalbare workflows – een belangrijke stap op weg naar geautomatiseerde en adaptieve microscopie.

Automatisering die verder gaat dan microscopie

Dezelfde principes kunnen ook buiten de multiplex-fluorescentiemicroscopie worden toegepast. Experimenten op het gebied van DNA-nanotechnologie en moleculaire zelforganisatie vereisen vaak een tijdnauwkeurige toevoeging en verwijdering van moleculaire componenten. Geautomatiseerde microfluïdica kan deze controle overnemen en tegelijkertijd het verbruik van reagentia verminderen en de reproduceerbaarheid verhogen.

Soortgelijke concepten zouden ook interessant kunnen zijn voor nieuwe experimentele benaderingen op het snijvlak van nanotechnologie en kwantumwetenschappen, waarbij nauwkeurig gecontroleerde chemische omgevingen en geautomatiseerde experimentele processen een belangrijke rol spelen.

Geautomatiseerde microfluïdica is daarmee veel meer dan alleen een oplossing voor repetitief pipetteren. Door gecontroleerde monsterbehandeling te combineren met softwaregestuurde microscopie, wordt het een belangrijke bouwsteen voor een nieuwe generatie geautomatiseerde en adaptieve experimentele platforms.

Originalpublikation: Basak, S.; Chi-Vu, K.; Mougios, N.; Oleksiievets, N.; Pollack, Y.G.; Brandenburg, S.; Opazo, F.; Lehnart, S.E.; Enderlein, J.*; Tsukanov, R.*, “A versatile microfluidics platform for enhanced multi-target super-resolution microscopy”. ACS Nano, 20 (2026)