Mengapa Cahaya Mikroskop Bisa Merusak Sel Hidup? Mengenal Phototoxicity dalam Live-Cell Imaging
Perkembangan teknologi mikroskopi memungkinkan peneliti mengamati berbagai proses biologis yang sebelumnya sulit dipelajari secara langsung. Melalui live-cell imaging, pergerakan organel, perubahan distribusi protein, pembelahan sel, hingga respons terhadap suatu senyawa dapat diamati sepanjang waktu. Kemampuan tersebut berperan penting dalam penelitian biologi sel, kanker, pengembangan obat, hingga regenerative medicine. Dengan mengikuti perubahan sel secara dinamis, peneliti dapat memperoleh informasi mengenai bagaimana proses biologis berlangsung, bukan hanya bagaimana sel terlihat pada satu titik pengamatan.
Salah satu metode yang banyak digunakan adalah fluorescence microscopy, yaitu teknik pencitraan yang memanfaatkan molekul fluoresen untuk memvisualisasikan struktur atau proses biologis tertentu. Namun, pengamatan sel hidup memerlukan pengaturan pencitraan yang tepat. Cahaya yang digunakan untuk menghasilkan sinyal fluoresensi juga dapat memengaruhi kondisi fisiologis sel melalui fenomena yang dikenal sebagai phototoxicity.
Phototoxicity menjadi perhatian penting karena perubahan fisiologis akibat pencahayaan dapat memengaruhi interpretasi hasil eksperimen, bahkan ketika perubahan tersebut belum terlihat secara jelas pada morfologi sel (Icha et al., 2017). Oleh karena itu, pengembangan teknologi live-cell imaging tidak hanya berfokus pada kemampuan menghasilkan gambar beresolusi tinggi, tetapi juga pada sensitivitas deteksi, fleksibilitas akuisisi, dan konsistensi pengamatan.
Apa yang Terjadi pada Sel Selama Fluorescence Microscopy?
Fluorescence microscopy bekerja menggunakan molekul yang disebut fluorophore. Molekul ini menyerap cahaya pada panjang gelombang tertentu dan kemudian memancarkan cahaya pada panjang gelombang yang berbeda. Dalam penelitian biologi, fluorophore dapat digunakan untuk menandai protein, organel, membran sel, dan berbagai target molekuler lainnya. Melalui pemilihan penanda fluoresen dan sistem optik yang sesuai, peneliti dapat mengamati lokasi serta perubahan distribusi struktur biologis di dalam sel (Evident Scientific, n.d.-c).
Ketika fluorophore menerima cahaya eksitasi, berbagai proses fotofisika dan fotokimia dapat terjadi. Dalam kondisi tertentu, proses tersebut dapat berkontribusi terhadap pembentukan reactive oxygen species (ROS). ROS merupakan molekul reaktif yang juga terlibat dalam proses fisiologis normal. Namun, peningkatan ROS akibat paparan cahaya dapat memengaruhi komponen seluler, termasuk protein, lipid, dan asam nukleat.
Fenomena phototoxicity dapat memengaruhi metabolisme, proliferasi, dan respons seluler lainnya, bergantung pada jenis sampel dan kondisi pencitraan yang digunakan (Kasprzycka et al., 2024). Dalam eksperimen live-cell imaging, pemahaman mengenai interaksi cahaya dengan sampel membantu peneliti merancang kondisi akuisisi yang sesuai dengan proses biologis yang ingin diamati.
Phototoxicity dan Photobleaching: Apa Perbedaannya?
Selain phototoxicity, istilah lain yang sering ditemukan dalam fluorescence microscopy adalah photobleaching. Keduanya berhubungan dengan interaksi antara cahaya dan molekul fluoresen, tetapi menjelaskan fenomena yang berbeda.
Photobleaching merupakan penurunan kemampuan fluorophore untuk menghasilkan sinyal fluoresensi akibat perubahan fotokimia selama paparan cahaya. Dalam rangkaian gambar, photobleaching dapat terlihat sebagai berkurangnya intensitas fluoresensi dari waktu ke waktu. Sementara itu, phototoxicity mengacu pada dampak merugikan paparan cahaya terhadap kondisi fisiologis sel hidup.
Perbedaan tersebut penting terutama dalam penelitian yang menggunakan intensitas fluoresensi sebagai parameter kuantitatif. Sebagai contoh, ketika peneliti mengamati protein berlabel fluoresen, perubahan intensitas sinyal dapat memberikan informasi mengenai suatu proses biologis. Namun, pengukuran tersebut perlu dirancang dengan mempertimbangkan pengaruh photobleaching dan kondisi pencahayaan terhadap sampel. Pemahaman mengenai kedua fenomena ini membantu peneliti menentukan parameter akuisisi, interval pengambilan gambar, serta metode analisis yang sesuai (Icha et al., 2017; Laissue et al., 2017).
Gambar 1. Parameter perubahan perilaku sel yang digunakan untuk mengevaluasi phototoxicity. Direproduksi dari Del Rosario et al. (2025, Gambar 1), berlisensi CC BY 4.0.
Bagaimana Mengoptimalkan Live-Cell Imaging untuk Penelitian?
Setiap proses biologis memiliki karakteristik dan kecepatan yang berbeda. Pergerakan vesikel atau perubahan distribusi protein dapat berlangsung dalam waktu singkat, sedangkan proliferasi sel dan perubahan morfologi dapat diamati dalam rentang waktu lebih panjang. Karena itu, metode pengambilan gambar perlu dirancang berdasarkan informasi yang ingin diperoleh.
Dalam time-lapse imaging, misalnya, peneliti menentukan interval akuisisi untuk mengikuti perubahan biologis secara berurutan. Pemilihan interval, intensitas eksitasi, durasi pencahayaan, serta jumlah bidang fokus menjadi bagian dari perencanaan eksperimen. Laissue et al. (2017) menekankan pentingnya evaluasi kondisi pencahayaan berdasarkan karakteristik sampel dan respons biologis yang diamati. Dalam pengamatan fluoresensi, sensitivitas detektor juga berperan penting karena menentukan kemampuan sistem untuk menangkap sinyal yang dihasilkan oleh fluorophore. Selain itu, keseimbangan antara resolusi spasial, kecepatan akuisisi, dan kualitas sinyal perlu dipertimbangkan agar data yang diperoleh sesuai dengan tujuan penelitian.
Senft et al. (2023) menjelaskan bahwa perencanaan quantitative bioimaging harus menghubungkan pertanyaan biologis, preparasi sampel, metode akuisisi, serta pengolahan dan interpretasi data. Dengan pendekatan tersebut, pemilihan teknologi mikroskopi menjadi bagian dari desain eksperimen, bukan sekadar keputusan berdasarkan spesifikasi instrumen.
EVIDENT FLUOVIEW FV5000: Teknologi Confocal Imaging untuk Penelitian Sel Hidup
Dalam penelitian yang membutuhkan pengamatan struktur seluler secara lebih mendalam, confocal laser scanning microscopy memungkinkan peneliti memperoleh optical section dari berbagai kedalaman sampel. Teknik ini membantu memvisualisasikan distribusi sinyal fluoresensi pada struktur biologis, sehingga relevan untuk penelitian protein, organel, jaringan, serta model sel tiga dimensi.
Untuk mendukung kebutuhan tersebut, PT Wadya Prima Mulia menyediakan solusi mikroskopi EVIDENT FLUOVIEW FV5000 Confocal Laser Scanning Microscope. FV5000 memadukan teknologi deteksi fluoresensi sensitif, sistem pemindaian yang fleksibel, dan perangkat lunak terintegrasi untuk mendukung berbagai kebutuhan penelitian life science.
Gambar 2. EVIDENT FLUOVIEW FV5000 Confocal Laser Scanning Microscope. Sumber: Evident Scientific (n.d.-b).
SilVIR Detector untuk Deteksi Sinyal Fluoresensi
Salah satu teknologi utama FV5000 adalah SilVIR™ detector, sistem deteksi berbasis silicon photomultiplier (SiPM). Teknologi ini menawarkan sensitivitas tinggi, rentang dinamis yang luas, serta kemampuan kuantifikasi pada tingkat foton (photon-level quantitation). Kemampuan tersebut membantu peneliti memperoleh informasi dari sinyal fluoresensi dengan intensitas beragam, termasuk sinyal yang relatif lemah.
Rentang dinamis yang luas juga mendukung pengamatan sampel dengan variasi intensitas fluoresensi, seperti struktur dengan distribusi penanda yang tidak merata (Evident Scientific, n.d.-b). Dalam live-cell imaging, sistem deteksi yang sensitif memberikan fleksibilitas bagi peneliti untuk mengembangkan pengaturan akuisisi yang sesuai dengan kebutuhan sinyal dan karakteristik sampel.
Fleksibilitas Pemindaian untuk Berbagai Proses Biologis
Kebutuhan pencitraan pada penelitian sel hidup dapat berbeda berdasarkan kecepatan dan karakteristik proses biologis yang diamati. FV5000 menyediakan galvanometer scanner dengan akuisisi hingga 8192 × 8192 piksel untuk pengamatan yang membutuhkan kepadatan piksel tinggi.
Pada konfigurasi FV5000-RS, tersedia pula resonant scanner dengan akuisisi hingga 2048 × 2048 piksel untuk mendukung pencitraan berkecepatan tinggi. Pilihan tersebut memberikan fleksibilitas dalam pengamatan struktur biologis maupun proses yang berlangsung secara dinamis.
FV5000 juga dilengkapi laser power monitor untuk mendukung pemantauan kestabilan pencahayaan selama pengambilan gambar. Didukung perangkat lunak FLUOVIEW Smart™, sistem ini membantu mengintegrasikan pengaturan akuisisi, dokumentasi, dan analisis gambar dalam satu workflow mikroskopi (Evident Scientific, n.d.-b).
Kombinasi kemampuan tersebut menjadikan FV5000 relevan untuk berbagai aplikasi, seperti penelitian biologi sel, neuroscience, cancer research, developmental biology, dan pencitraan model biologis tiga dimensi.
Bagaimana Memantau Pertumbuhan Sel Tanpa Pewarnaan Fluoresen?
Tidak semua kegiatan penelitian kultur sel membutuhkan pengamatan struktur molekuler menggunakan fluoresensi. Pada kegiatan kultur rutin, peneliti sering perlu mengevaluasi kondisi sel secara berkala, mulai dari perubahan morfologi, tingkat confluency, hingga perkembangan populasi sel selama masa kultur. Informasi tersebut diperlukan untuk menentukan waktu yang sesuai dalam melakukan cell passage, pemberian perlakuan, atau tahapan eksperimen berikutnya.
Untuk kebutuhan ini, EVIDENT CM30 Cell Culture Monitoring System menghadirkan metode pemantauan kultur sel berbasis label-free imaging. Dengan teknologi tersebut, peneliti dapat mengamati perkembangan kultur tanpa memerlukan pewarnaan fluoresen untuk pemeriksaan rutin.
Gambar 3. Visualisasi hasil analisis confluency menggunakan EVIDENT CM30. Sumber: Evident Scientific (n.d.-a).
CM30 menggunakan teknologi analisis gambar berbasis machine learning untuk membantu melakukan pengukuran kuantitatif terhadap parameter seperti confluency dan jumlah sel. Pada aplikasi kultur pembentuk koloni yang sesuai, sistem ini juga menyediakan analisis jumlah dan ukuran koloni (Evident Scientific, n.d.-a).
Pemantauan Kultur Langsung dari Inkubator
Salah satu fitur utama CM30 adalah kemampuannya melakukan pengamatan kultur langsung dari dalam inkubator. Sistem dapat mengambil gambar pada beberapa titik pengamatan yang telah ditentukan, kemudian menyajikan perubahan kondisi kultur dalam bentuk data kuantitatif dan grafik.
Pengguna dapat menyesuaikan titik fokus, lokasi pengamatan, serta interval monitoring berdasarkan kebutuhan eksperimen. Pemantauan dari dalam inkubator membantu menjaga kontinuitas kondisi kultur sekaligus menyederhanakan pemeriksaan rutin. Melalui dokumentasi pertumbuhan yang berkesinambungan, peneliti dapat membandingkan perkembangan kultur antarwaktu, antarsampel, maupun antarperlakuan.
CM30 juga mendukung perhitungan parameter pertumbuhan tertentu, seperti doubling time, berdasarkan data dan pengaturan analisis yang digunakan (Evident Scientific, n.d.-a). Kemampuan ini mendukung berbagai aktivitas penelitian yang memerlukan pengamatan perkembangan sel secara sistematis, termasuk cell biology, stem cell research, dan studi proliferasi.
Gambar 4. Sistem EVIDENT CM30 untuk pemantauan kultur sel langsung dari dalam inkubator. Sumber: Evident Scientific (n.d.-a).
Mengintegrasikan Cell Culture Monitoring dan Confocal Imaging dalam Penelitian
Pengamatan pertumbuhan kultur dan analisis struktur molekuler dapat menjadi dua tahapan yang saling melengkapi dalam sebuah eksperimen. Sebagai contoh, penelitian mengenai respons sel terhadap suatu senyawa dapat diawali dengan pemantauan perubahan pertumbuhan selama masa kultur. Data tersebut kemudian dapat dilengkapi dengan pencitraan fluoresensi untuk mengamati distribusi protein atau perubahan struktur intraseluler.
Pada workflow semacam ini, CM30 membantu memantau perkembangan kultur secara kuantitatif, sedangkan FV5000 mendukung pengamatan fluoresensi pada struktur biologis yang lebih spesifik. Kombinasi pendekatan tersebut memberikan kesempatan bagi peneliti untuk menghubungkan perubahan pada tingkat populasi sel dengan informasi biologis yang diperoleh melalui pencitraan lanjutan.
Hal ini sejalan dengan prinsip perencanaan quantitative bioimaging, yaitu memilih metode akuisisi dan analisis berdasarkan pertanyaan ilmiah serta jenis data yang ingin dihasilkan (Senft et al., 2023). Dengan workflow yang terstruktur, proses pengamatan dapat didokumentasikan secara konsisten dari tahap kultur hingga analisis gambar.
Mendukung Penelitian Live-Cell Imaging Bersama PT Wadya Prima Mulia
Live-cell imaging telah menjadi salah satu pendekatan penting dalam memahami proses biologis yang berlangsung secara dinamis. Pemahaman mengenai phototoxicity, photobleaching, dan pengaturan akuisisi membantu peneliti merancang eksperimen pencitraan dengan lebih terarah. Perkembangan teknologi mikroskopi juga memberikan pilihan yang semakin luas untuk mendukung berbagai kebutuhan penelitian.
EVIDENT FLUOVIEW FV5000 menghadirkan teknologi confocal microscopy dengan deteksi fluoresensi sensitif, fleksibilitas pemindaian, serta sistem pengelolaan gambar yang terintegrasi. Sementara itu, EVIDENT CM30 mendukung pemantauan kultur sel secara otomatis melalui label-free imaging dan analisis pertumbuhan kuantitatif.
Sebagai distributor EVIDENT Life Science di Indonesia, PT Wadya Prima Mulia menyediakan solusi mikroskopi sekaligus konsultasi teknis untuk membantu laboratorium menentukan sistem pencitraan yang sesuai dengan tujuan penelitian
Kami memahami bahwa setiap penelitian memiliki kebutuhan yang berbeda, mulai dari pengamatan pertumbuhan sel hingga analisis struktur biologis secara mendalam.
Ingin mengembangkan kemampuan live-cell imaging atau meningkatkan workflow pemantauan kultur sel di laboratorium Anda?
Hubungi PT Wadya Prima Mulia untuk mendiskusikan kebutuhan aplikasi, konfigurasi sistem, dan solusi mikroskopi EVIDENT.
Website: https://www.wadyaprimamulia.com
Jelajahi Solusi Mikroskopi EVIDENT
Referensi
Del Rosario, M., Gómez-de-Mariscal, E., Morgado, L., Portela, R., Jacquemet, G., Pereira, P. M., & Henriques, R. (2025). PhotoFiTT: A quantitative framework for assessing phototoxicity in live-cell microscopy experiments. Nature Communications, 16, Article 11401. https://doi.org/10.1038/s41467-025-66209-6
Evident Scientific. (n.d.-a). CM30 cell culture monitoring system. https://evidentscientific.com/en/products/inverted/cm30
Evident Scientific. (n.d.-b). FV5000 confocal laser scanning microscope. https://evidentscientific.com/en/products/confocal/fv5000
Evident Scientific. (n.d.-c). Introduction to fluorescence. https://evidentscientific.com/en/microscope-resource/knowledge-hub/lightandcolor/fluorointroduction
Icha, J., Weber, M., Waters, J. C., & Norden, C. (2017). Phototoxicity in live fluorescence microscopy, and how to avoid it. BioEssays, 39(8), Article 1700003. https://doi.org/10.1002/bies.201700003
Kasprzycka, W., Szumigraj, W., Wachulak, P., & Trafny, E. A. (2024). New approaches for low phototoxicity imaging of living cells and tissues. BioEssays, 46(5), Article e2300122. https://doi.org/10.1002/bies.202300122
Laissue, P. P., Alghamdi, R. A., Tomancak, P., Reynaud, E. G., & Shroff, H. (2017). Assessing phototoxicity in live fluorescence imaging. Nature Methods, 14(7), 657–661. https://doi.org/10.1038/nmeth.4344
Senft, R. A., Diaz-Rohrer, B., Colarusso, P., Swift, L., Jamali, N., Jambor, H., Pengo, T., Brideau, C., Montero Llopis, P., Uhlmann, V., Kirk, J., Gonzales, K. A., Bankhead, P., Evans, E. L., III, Eliceiri, K. W., & Cimini, B. A. (2023). A biologist’s guide to planning and performing quantitative bioimaging experiments. PLOS Biology, 21(6), Article e3002167. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002167
