Максимально близко: наномасштаб теперь доступен для обычного микроскопа

Дважды увеличив образец мозговой ткани, исследователи получили изображения высокого разрешения нейронов в гиппокампе.
J.B. Chang et. al., Nature Methods 14, 4 (17 April 2017)/ MacMillian Publisher Ltd.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый способ получения изображений образцов ткани с очень высоким разрешением. От других существующих методов он отличается не только точностью, но и дешевизной.

Новая технология основана на увеличении ткани перед её визуализацией с помощью обычного светового (или оптического) микроскопа. Два года назад команда MIT показала, что можно значительно увеличить объёмы тканей, в результате чего разрешение изображения составит около 60 нанометров (напомним, что это единица измерения, равная одной миллиардной части метра, то есть 10−9 метра). Новая же технология предполагает расширение тканей во второй раз, что увеличивает разрешение до 25 нанометров.

Разработчики уверены, что их технология станет незаменима для исследований во многих областях медицины и биологи, в частности, в нейробиологии. К примеру, такой уровень разрешения позволяет видеть белки, которые группируются вместе в сложные структуры в мозговых синапсах, помогая нейронам "общаться" друг с другом. По словам соавтора работы Эда Бойдена (Ed Boyden), в будущем новые возможности визуализации помогут учёным отслеживать механизмы работы нейронных цепей.

"Мы хотим иметь возможность проследить механизм работы цельных мозговых цепей. Если бы получилось восстановить полную мозговую цепь, возможно, можно было бы создать вычислительную модель того, как наш мозг порождает сложные явления, такие как решения и эмоции. Поскольку мы увидим схему распределение биомолекул, которые генерируют электрические импульсы внутри клеток и производят обмен химическими веществами между клетками, то сможем моделировать динамику мозга", — рассказывает Бойден.

Та же технология поможет, к примеру, визуализировать взаимодействие между раковыми и иммунными клетками, обнаружить патогены или составить самую точную карту клеток всего организма.

Как же возможно увеличить образец ткани? Для этого учёные вводят в него плотный гель из полиакрилата – влагопоглащающего материала, который используется для производства подгузников.

Прежде чем создать гель, специалисты маркируют клеточные белки, которые хотят увидеть, используя антитела, которые связываются с конкретными мишенями. Эти антитела содержат штрих-коды ДНК, которые, в свою очередь, присоединены к молекулам с поперечными сшивками (то есть связанными в широкоячеистую трёхмерную сетку за счёт образования поперечных связей). Эти самые молекулы учёные "связали" с полимерами, входящими в состав геля.

После введения геля специалисты разрушают белки, которые обычно удерживают ткань вместе, позволяя штрих-кодам ДНК расширяться по мере разбухания геля. Эти увеличенные образцы затем могут быть помечены флуоресцентными зондами, которые связывают штрих-коды ДНК, а наблюдать за ними можно при помощи конфокальных микроскопов (разрешение таких приборов, как правило, ограничено сотнями нанометров).

Этот метод позволил достичь разрешения около 60 нанометров, однако и его бывает недостаточно. Например, нейроны имеют разветвлённые отростки – дендриты. А они, в свою очередь, имеют мембранные выросты, известные как шипики. Именно они образуют синаптические соединения, передают нервные импульсы между клетками. Однако размеры дендритных шипиков настолько малы, что их либо невозможно увидеть в микроскоп, либо изображение будет размытым.

Поэтому команда MIT усовершенствовала свой метод, который получил название интерационного (то есть повторяющегося) расширения.

В своём первоначальном исследовании учёные выяснили, что могут увеличить объём ткани более чем в сто раз за счёт уменьшения количества сшитых молекул. Однако это сделало ткань неустойчивой: полимеры больше не сохраняли свою организацию в процессе расширения, поясняет Бойден. Поэтому в ходе новой работы команда пошла иным путём: после первого расширения учёные создали новый гель, который повторно увеличивает объём образца.

Новая технология даёт возможности изучать образцы, которые ранее были доступны лишь для микроскопия стохастической оптической реконструкции (STORM) – невероятного дорогого и сложного метода исследования, который, к тому же, требует использования специальных химикатов.

Благодаря новой технологии учёные уже получили подробные изображения дендритных шипиков в гиппокампе мышей, а также отследили механизм взаимодействия белков в синапсах головного мозга грызунов.

Более подробно новая методика визуализации описана в статье, опубликованной в издании Nature Methods.

Напомним, что ранее специалисты MIT представили новый нейтронный микроскоп.

Тем временем физикам удалось сделать снимок атома водорода, а также получить изображения межатомных структур до и после молекулярных реакций.

Сегодня