Новый микроскоп снимает 3D-видео на клеточном уровне внутри живых тканей

Новый взгляд на жизнь клеток стал возможен благодаря "космическим технологиям".
Иллюстрация T. Liu et al./Science 2018.

350 лет назад Роберт Гук впервые обратил внимание на то, что срез пробкового дерева разделён на "ячейки". Так были открыты живые клетки, которые сегодня на уроках биологии может увидеть любой школьник. Но спустя несколько столетий у учёных всё чаще возникает вопрос, насколько исследование клеток, зафиксированных на предметном стекле микроскопа, отражает их жизнь в составе целого организма.

Даже специальные устройства, используемые для наблюдения внутренних процессов в индивидуальных клетках, работают слишком медленно, чтобы создавать движущуюся трёхмерную визуализацию. Кроме того, они воздействуют на образец неестественно мощным светом, который не встречается в живой природе, что также может искажать результаты.

В 2014 году физик Эрик Бетциг (Eric Betzig) из Медицинского университета Говарда Хьюза стал лауреатом Нобелевской премии по химии за развитие флуоресцентной микроскопии высокого разрешения. И в том же году его команда впервые представила две новые технологии, которые легли в основу новой работы.

Один из методов под названием адаптивная оптика позаимствован у астрономов, которые используют его для наблюдения космических объектов с поверхности Земли. Атмосфера искажает изображение, но телескоп деформирует гибкое зеркало нужным образом и тем самым компенсирует искажения.

Вторая технология – решётчатая световая микроскопия, заключается в том, что световые импульсы клетку быстро и часто просвечивают ультратонкие слои клетки, а затем многочисленные изображения двухмерных срезов сливаются в единый 3D-фильм.

Новый микроскоп просвечивает живые ткани лазерным импульсом и создаёт яркую точку внутри интересующей учёных области, которая играет роль "путеводной звезды". Сравнивая её изображение с эталоном, компьютер фиксирует искажения, внесённые внешней средой, и деформирует поверхность зеркала для их компенсации. Затем импульсы света слой за слоем сканируют ткань, а компьютерная программа анализирует большой массив изображений и составляет подвижную трёхмерную визуализацию.

Чтобы показать возможности системы, Бетциг и его коллеги продемонстрировали несколько видеозаписей, снятых в тканях живых рыб данио-рерио. На одной из них запечатлена оранжевая иммунная клетка, которая перемещается внутри уха рыбы и поглощает голубые частицы сахаров.

 

На другой – раковая клетка, которая пытается прикрепиться к стенке кровеносного сосуда с помощью липких придатков.

 

 

По словам учёного, без адаптивной оптики полученные снимки были бы слишком нечёткими и о 3D-визуализации не могло бы быть и речи. Сегодня эта технология слишком дорогая и сложная, чтобы говорить о массовом выпуске новых микроскопов. Кроме того, она ещё и довольно громоздка. Например, прибор, использованный в новой работе и описанный в журнале Science, требует подставки длиной три метра. Но сейчас команда Бетцига занята разработкой более компактной и доступной версии. Учёные надеются, что в течение десяти лет такой прибор будет доступен для многих биологов.

Стоит заметить, что в этом материале описана не первая попытка изучить жизнь клеток, не повреждая их. Ранее проект Вести.Наука (nauka.vesti.ru) писал и о других технологиях, например, о щадящей микроскопии "светового листа" и дифракционной томографии белого света.

Сегодня