Et kæmpe røntgenmaskine afslører mantisrejens øje i 3D

I 1895 udsatte Wilhelm Conrad Röntgen sin kones hånd for røntgenstråler længe nok til at frembringe en spøgelsesagtig silhuet af hendes knogler og vielsesring. I de 131 år, der er gået siden da, har forskerne bevæget sig lysår inden for billeddannelse med teknologier lige fra magnetisk resonans til elektronmikroskopi, som gør det muligt at se ind i alt fra levende menneskekroppe til svært tilvejebragte prøver fra rummet.

En af de teknikker, der skubber grænserne for billeddannelse, er synkrotronbaseret fasekontrast-røntgencomputertomografi. I princippet minder den meget om computertomografi eller almindelig røntgen – med én enorm forskel. I stedet for en røntgenkilde på et hospital benytter den en synkrotron på størrelse med en bygning, hvor elektroner bevæger sig med næsten lysets hastighed. Det betyder, at forskerne kan afbilde et intakt objekt på flere millimeter og samtidig zoome ind på strukturer, der måles i mikrometer.

Forskere ved Aarhus Universitet satte et synkrotronanlæg i Sverige på en usædvanligt krævende prøve: øjet fra en mantisreje – en uhyre kompliceret biologisk struktur på størrelse med et sesamfrø, som gør disse havlevende dyr i stand til at se både ultraviolet og polariseret lys.

Deres resultater, der er offentliggjort i Journal of Structural Biology, viser, hvordan teknikken kan spænde over et størrelsesområde, som er vanskeligt at indfange med konventionel billeddannelse.

“Vi ser hele øjet, der måler fem gange seks millimeter, men vi kan også zoome ind og se noget på størrelse med en mikrometer,” forklarer hovedforfatter Anne Marie Møller Faaborg, materialekemiker og ph.d.-studerende ved Aarhus Universitet. “Dette er en af de eneste teknikker, der gør det muligt at springe så langt i skala.”

Mød mantisrejen

Den forskergruppe, Faaborg er en del af, stødte første gang på mantisrejen, da de undersøgte de bemærkelsesværdige materialeegenskaber i dens klo. “Det hele startede på grund af den her hammer, de har,” siger gruppeleder og medforfatter professor Henrik Birkedal, materialekemiker ved Aarhus Universitet.

Selvom påfuglemantisrejen kun bliver 10 til 18 cm lang, har den en forbløffende slagkraft. Den bruger voldsomme slag til at knuse bløddyrsskaller, og dens slagkølle bevæger sig så hurtigt, at der dannes dampbobler i det omgivende vand. Når boblerne kollapser, frigives enorme kræfter, og der kan opstå små lysglimt. Også dens øjne, som sidder på stilke og kan bevæge sig uafhængigt af hinanden, er ekstraordinære.

“De kan se polariseret og ultraviolet lys, og de strukturer, der gør det muligt for dem, adskiller sig ret meget fra det menneskelige øje,” forklarer Anne Marie Møller Faaborg. Mantisrejer har sammensatte øjne, der består af tusindvis af enheder kaldet ommatidier. Hver enhed består af en linse efterfulgt af en krystallinsk kegle og derefter lysfølsomme celler, der ligger omkring en central struktur kaldet et rhabdom – alt sammen gentaget tusindvis af gange og pakket ind i et rum på størrelse med et sesamfrø. “Der er meget at se på inde i dette øje, både i blødt og hårdt væv,” siger hun.

Siden 1700-tallet har forskere møjsommeligt stykket mantisrejens øje sammen gennem dissektion, farvning og tidens bedste mikroskopi. Metoderne afslørede mange af de enkelte dele, men de bevarer ikke deres fulde tredimensionelle sammenhæng. For at føre denne udvikling ind i det 21. århundrede tog Birkedal, Faaborg og deres team det højre øje fra en påfuglemantisreje med til et billeddannelsescenter i Sverige.

Mød synkrotronen

Objekter på størrelse med mantisrejens øje befinder sig i et besværligt ingenmandsland, når det gælder billeddannelse.

Konventionel røntgen og computertomografi fungerer hovedsageligt ved at måle, hvor kraftigt forskellige materialer absorberer røntgenstråler. Knogler, blødt væv og andre materialer absorberer forskellige dele af strålingen og danner dermed et billede, der minder om en skygge. Problemet er, at blødt væv med omtrent samme tæthed kan kaste næsten den samme skygge – og derfor være svært at skelne fra hinanden.

“I en almindelig røntgenkilde skyder man elektroner mod et stykke metal, og det genererer lys,” siger Birkedal. “Og hvis forholdene er de rette, vil noget af det lys være røntgenlys.” En synkrotron producerer derimod en usædvanlig intens og kohærent røntgenstråle, som gør det muligt at udnytte bittesmå ændringer i røntgenbølgen til at skelne mellem typer af blødt væv, der ellers næsten ser ens ud.

“Hvis vi bestråler for kraftigt med røntgenstråler, kan vi forårsage skader,” tilføjer Faaborg. Forskere kan også gøre blødt væv lettere at skelne ved hjælp af farvestoffer eller kontrastmidler, men så ændrer de samtidig prøven. Mantisrejens øje blev i stedet afbildet ved hjælp af vævets egen naturlige røntgenkontrast – uden tilsatte markører eller farvning.

Andre billeddannelsesteknikker, såsom elektronmikroskopi, der er udviklet til at kigge helt ind i celler, zoomer i praksis for langt ind til at give forskerne et samlet billede af, hvordan strukturerne ligger i forhold til hinanden. Det “ville tage en evighed, hvis det overhovedet var muligt,” siger Henrik Birkedal.

Det bedste fra begge verdener

Synkrotronbaseret røntgencomputertomografi kan give forskerne det bedste fra begge verdener. Synkrotroner, som blev bygget første gang i 1940’erne, er enorme ringe, der bruger elektriske felter og magneter til at accelerere partikler til næsten lysets hastighed. Til familien af partikelacceleratorer hører også maskiner som Large Hadron Collider i Schweiz, hvor forskerne groft sagt lader subatomare partikler køre radiobiler mod hinanden for at se, hvilke stumper der flyver af. En synkrotron, der bruges til billeddannelse, har et andet formål: Når de hurtigt bevægende elektroner styres rundt i ringen, dannes intense røntgenstråler, som kan bruges i eksperimenter.

“I en synkrotron er elektronernes energi meget høj, og de bevæger sig næsten med lysets hastighed,” siger Birkedal. Den afgørende fordel ved billeddannelse er, at de røntgenstråler, der dannes, kan gøres usædvanligt intense, fokuserede og forudsigelige: “Røntgenstrålerne kommer stort set lige derhen, hvor man ønsker det.”

I 2016 blev MAX IV i Lund i Sverige verdens første fjerdegenerationssynkrotron i drift. Dens største lagringsring har en omkreds på 528 meter og sender røntgenstråler videre til forsøgsstationer langs såkaldte strålelinjer. Faaborg og hendes kolleger brugte en af dem, DANMAX, til at udføre fasekontrasttomografi.

“Det nye ved disse synkrotronkilder er, at de har en særlig egenskab, der kaldes rumlig kohærens,” siger Birkedal. Den gør det muligt for forskerne ikke blot at registrere, hvor meget røntgenstråling et væv absorberer, men også små faseforskydninger i røntgenbølgen, når den passerer gennem materialer med lidt forskellige egenskaber. Computeren kan derefter omsætte disse forskydninger til synlig kontrast mellem strukturer, der ellers ville se næsten ens ud.

Som en enkel sammenligning peger han på det, der sker, når synligt lys passerer gennem vand. “Hvis man tager et glas vand og sætter en blyant i det, ser det ud, som om den er knækket ved overgangen mellem luft og vand,” siger Birkedal. Effekten er langt mere subtil, når røntgenstråler passerer gennem vævet i rejeøjet, men stadig tydelig nok til, at detektoren og computeren kan registrere den.

Hele øjet – og det, der gemte sig indeni

Det tog knap seks timer at scanne mantisrejens øje ved MAX IV fordelt på 40 positioner. Det er beskedent sammenlignet med de “snesevis af timer”, som andre teknikker kunne kræve, siger Birkedal – “i en sådan grad, at man slet ikke ville gøre det”.

Resultatet blev en tredimensionel grundplan over mantisrejens øje i bemærkelsesværdig detaljegrad og med i alt 3 terabyte data. For at sætte det i perspektiv svarer det til nok lagerplads til Shakespeares samlede værker omkring 600.000 gange eller cirka 750 kopier af Pixars Find Nemo i high definition. Datafilerne var så store, at forskerne først måtte sænke opløsningen for at kunne se hele øjet på deres laboratoriecomputere. Derefter kunne de vende tilbage til udvalgte områder i de oprindelige data i fuld opløsning og undersøge de mindste strukturer.

“Vi anede godt, hvor store datamængderne ville være, men vi havde ikke forudset, hvor udfordrende det ville være at analysere dem,” siger Birkedal. “På en måde kan vi se både skoven og alle træerne i skoven på samme tid. Vi har det hele, og det gør det meget svært at finde noget bestemt – for eksempel hvis man kun leder efter ahorntræer.”

Anne Marie Møller Faaborg blev dog belønnet for at have arbejdet sig gennem det enorme datamateriale. Hun fandt en struktur i rejeøjet, som ikke tidligere var blevet identificeret: et netværk af karlignende rør, der bugter sig uregelmæssigt gennem nethinden. De viste sig i midterbåndet, et specialiseret område, der er involveret i synet af farver og polariseret lys. Hvilken funktion rørene har, ved forskerne endnu ikke.

Mere end et billede

Scanningerne gengav også strukturer, som forskerne allerede kendte fra årtiers 2D-mikroskopi, blandt andet ommatidierne og deres farvede fotofiltre. Med andre ord dukkede de strukturer, man allerede vidste fandtes, op dér, hvor de skulle.

“Det ville være næsten umuligt at se den fulde kontekst af et sådant system i 2D,” siger Faaborg.

Datasættet kunne samtidig bruges til mere end blot at skabe billeder. Forskerne kunne måle volumenerne af øjets fotofiltre, følge porer gennem dets hårde kitinkappe og endda skelne de gentagne bånd i de enkelte muskelfibre. Båndene lå omkring 8–11 mikrometer fra hinanden, hvilket stemmer overens med tidligere målinger af muskler hos krebsdyr.

Det samme greb – at bevare overblikket over hele strukturen og samtidig kunne zoome ind på mikroskopiske detaljer – er allerede nyttigt langt ud over mantisrejer. Synkrotronscanninger er for eksempel blevet brugt til at opbygge AntScan, et bibliotek med 3D-billeder af hele kroppen fra mere end 2.000 myrearter. Faaborg bruger også fasekontrasttomografi på knoglebiopsier fra personer med X-bundet hypofosfatæmi, en sjælden form for rakitis.

Begge projekter er eksempler på, hvor synkrotronbaseret billeddannelse for alvor kommer til sin ret, siger forfatterne: når forskerne undersøger følsomt biologisk materiale, som de helst ikke vil skære i, farve eller på anden måde ændre.

“Vi har prøver fra levende mennesker, der har doneret en knoglebiopsi,” forklarer Faaborg. “Det er en meget værdifuld prøve.”