Лазер впервые отснял живые клетки в 3D-кино

"Томографическая фазовая микроскопия" — звучит скучно. А вот если своими глазами увидеть процессы в живых клетках, да ещё в 3D. Если посмотреть, как колеблются их мембраны, как идут в атаку клетки иммунной системы, как клетки делятся и питаются… Тогда поневоле захочется снабдить такое немое кино саундтреком с вальсом Штрауса.

Собственно главные виновники этого "безобразия" — Майкл Фельд (Michael Feld), директор лаборатории спектроскопии Массачусетского технологического института (George R. Harrison Spectroscopy Laboratory), его стажёр Вончхик Чхой (Wonshik Choi) и их коллеги по лаборатории – точно так и поступили.

 

 

Они создали и успешно опробовали инновационный метод клеточной микроскопии, который позволяет в трёхмерном виде и в реальном времени наблюдать работу живой клетки с довольно тонкими деталями. Получилось столь впечатляюще, что отчёт о работе её авторы опубликовали в журнале Nature Methods, а свой видеоролик (файл WMV, 3,66 мегабайта), показывающий — о чём идёт речь — назвали "Вальс клеток", дополнив соответствующим музыкальным сопровождением.

Это была не первая попытка представить клетку в объёме. Можно вспомнить хотя бы недавнее достижение группы учёных из Европы и США. Но до сих пор специалистам удавалось не столько посмотреть на клетку с её мелкими составными частями, сколько создать трёхмерную модель, используя ряд съёмок клетки настоящей.

Если в предыдущем исследовании для создания 3D-образа авторы выполнили несколько фотографий клетки при помощи электронного микроскопа (под разными углами), то в нынешней работе учёные из MIT решили воспользоваться светом.

Но поскольку разрешение оптической микроскопии не очень уж велико, а сама клетка слабо поглощает свет, новаторы пошли на хитрость. Они не делали снимки напрямую, а получали значения коэффициента преломления света в зависимости от координат входа лазерного луча в клетку и от угла его падения. Параллельно клетке исследователи запускали опорный луч, а принцип интерферометрии позволил учёным получить коэффициент преломления.

Цервикальная раковая клетка с ядром, ядрышками и множеством органоидов, отснятая при помощи томографической фазовой микроскопии. Слева — пара трёхмерных снимков. Справа — серия двухмерных изображений, различные цвета здесь означают различные коэффициенты преломления, а значит — различные материалы (фото Michael Feld laboratory, MIT).

Таким способом авторы метода выполняли по 100 замеров одной клетки (под сотней разных углов), и, поскольку каждый материал внутри клетки обладает своим специфическим коэффициентом преломления, компьютер смог восстановить по этим данным трёхмерный вид клетки и её внутренностей.

Причём если в первых опытах весь процесс сканирования занимал 10 секунд, то в последних время выполнения одного кадра удалось сократить до 0,1 секунды, фактически превратив метод объёмной фотосъёмки в метод видеосъёмки живой клетки, который позволил видеть, как клетка реагирует, к примеру, на изменения в окружающей её среде.

Правда, метод съёмки оказался столь чувствительным, что пришлось продумать ряд мер по исключению помех в виде хаотичного движения воздуха в лаборатории.

"Ключевое преимущество новой техники состоит в том, что она может использоваться, чтобы изучать живые клетки без какой-либо подготовки", — говорит один из авторов метода Камран Бадизадеган (Kamran Badizadegan).

То есть с другими способами трёхмерного отображения образцы нужно обработать химикалиям или ввести в них краски, флуоресцентные маркеры, или металлы, а значит — вмешаться во внутриклеточную химию. Или образцы требуется обезвоживать, или замораживать, то есть приходится и вовсе останавливать в них жизненные процессы.

C. elegans (нематода), отснятый новым методом. Здесь неплохо видны внутренние органы этого маленького существа (фото Michael Feld laboratory, MIT).' width=478 height=130>

Червь C. elegans (нематода), отснятый новым методом. Здесь неплохо видны внутренние органы этого маленького существа (фото Michael Feld laboratory, MIT).

Пусть разрешение съёмки нового типа достигает "всего" 500 нанометров, она должна стать важным дополнением к электронной микроскопии, обладающей высоким разрешением (10 нанометров), но зато не способной показать в реальном времени процессы, идущие в клетке.

А томографическая фазовая микроскопия позволяет отснять на видео тончайшие колебания мембран красных клеток крови. И таким же способом можно даже фиксировать активацию нейронов, поскольку оказалось, что она сопровождается крошечными механическими колебаниями нервных волокон, отражающимися в свете лазера.

Более того, Фельд утверждает, что новый подход не исчерпал всех своих возможностей, и что с ним реально достичь разрешения в 150 нанометров или даже выше.

Создатели метода опробовали его на ряде отдельных клеток (в частности — на цервикальных раковых клетках) и даже на многоклеточных организмах (например, они отсняли червя нематоду). В последнем случае возможность увидеть живого червя в очень тонких деталях, расставленных компьютером по объёму организма, впечатляет — нематода состоит примерно из 1 тысячи клеток и насчитывает 1 миллиметр в длину.

	Эритроцит, отснятый при помощи нового интерферометра (фото Gabriel Popescu).

Что до съёмки более крупных организмов, то пока данная техника сталкивается с рассеянием света в толще тканей (как будет сталкиваться любая оптическая съёмка). Но авторы новации считают, что их технология ещё может нарастить "пробивную" способность и чёткость, ведь она ещё очень молодая (читай – сырая).

Нужно ли пояснять, что возможность в реальном времени наблюдать за реакцией той или иной клетки на лекарство, к примеру, должна заметно продвинуть вперёд медицинские и биологические исследования.

Заметим, новизна метода отображения клетки и плохая его изученность на практике означает, что вместе с физиками такое сканирование предстоит активно испытывать и совершенствовать биологам, поскольку не всегда ещё понятно – что именно они видят в том или ином случае, и что означают те или иные визуальные изменения в клетках.

Точно музыка: услышит каждый, но не каждый поймёт услышанное. Что ж, за ценителями внутриклеточной красоты дело не станет. Было бы музыкальных инструментов таких побольше. В смысле… научных инструментов.

Статья получена: Membrana.ru