Лазер впервые отснял живые клетки в 3d-кино
Томографическая фазовая микроскопия — звучит скучно. А вот в случае если собственными глазами заметить процессы в живых клетках, да ещё в 3D.
В случае если взглянуть, как колеблются их мембраны, как идут в наступление клетки иммунной совокупности, как клетки делятся и питаются… Тогда невольно захочется снабдить такое немое кино саундтреком с вальсом Штрауса.
Фактически главные виновники этого «безобразия» — Майкл Фельд (Michael Feld), директор лаборатории спектроскопии Массачусетского технологического университета (George R. Harrison Spectroscopy Laboratory), его стажёр Вончхик Чхой (Wonshik Choi) и их коллеги по лаборатории – совершенно верно так и поступили.
Они создали и удачно опробовали инновационный способ клеточной микроскопии, что разрешает в трёхмерном виде и в настоящем времени замечать работу живой клетки с достаточно узкими подробностями. Оказалось столь впечатляюще, что отчёт о работе её авторы разместили в издании Nature Methods, а собственный видеоролик (файл WMV, 3,66 мегабайта), показывающий — о чём идёт обращение — назвали «Вальс клеток», дополнив соответствующим музыкальным сопровождением.
Это была не первая попытка представить клетку в количестве. Возможно отыскать в памяти хотя бы недавнее достижение группы учёных из Европы и США.
Но до сих пор экспертам получалось не столько взглянуть на клетку с её небольшими составными частями, сколько создать трёхмерную модель, применяя последовательность съёмок клетки настоящей.
В случае если в прошлом изучении для 3D-образа авторы выполнили пара фотографий клетки при помощи электронного микроскопа (под различными углами), то в нынешней работе учёные из MIT решили воспользоваться светом.
Но потому, что разрешение оптической микроскопии не весьма уж громадно, а сама клетка слабо поглощает свет, новаторы пошли на хитрость. Они не делали снимки напрямую, а приобретали 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 разрешил учёным взять коэффициент преломления.
Цервикальная раковая клетка с ядром, множеством и ядрышками органоидов, отснятая при помощи томографической фазовой микроскопии. Слева — пара трёхмерных снимков.
Справа — серия двухмерных изображений, разные цвета тут означают разные коэффициенты преломления, соответственно — разные материалы (фото Michael Feld laboratory, MIT).
Таким методом авторы способа делали по 100 замеров одной клетки (под сотней различных углов), и, потому, что любой материал в клетки владеет своим своеобразным коэффициентом преломления, компьютер смог вернуть согласно этой информации трёхмерный вид клетки и её внутренностей.
Причём в случае если в первых опытах целый процесс сканирования занимал 10 секунд, то в последних время исполнения одного кадра удалось сократить до 0,1 секунды, практически перевоплотив способ объёмной фотосъёмки в способ видеосъёмки живой клетки, что разрешил видеть, как клетка реагирует, например, на трансформации в окружающей её среде.
Действительно, способ съёмки был столь чувствительным, что было нужно продумать последовательность мер по исключению помех в виде хаотичного перемещения воздуха в лаборатории.
«Главное преимущество новой техники пребывает в том, что она может употребляться, дабы изучать живые клетки без какой-либо подготовки», — говорит один из авторов способа Камран Бадизадеган (Kamran Badizadegan).
Другими словами с другими методами трёхмерного отображения образцы необходимо обработать химикалиям либо ввести в них краски, флуоресцентные маркеры, либо металлы, соответственно — вмешаться во внутриклеточную химию. Либо образцы требуется обезвоживать, либо замораживать, другими словами приходится и вовсе останавливать в них жизненные процессы.
Червь C. elegans (нематода), отснятый новым способом.
Тут хорошо видны внутренние органы этого мелкого существа (фото Michael Feld laboratory, MIT).
Пускай разрешение съёмки нового типа достигает «всего» 500 нанометров, она будет ответственным дополнением к электронной микроскопии, владеющей высоким разрешением (10 нанометров), но не способной продемонстрировать в настоящем времени процессы, идущие в клетке.
А томографическая фазовая микроскопия разрешает отснять на видео узкие колебания мембран красных клеток крови. И таким же методом возможно кроме того фиксировать активацию нейронов, потому, что оказалось, что она сопровождается маленькими механическими колебаниями нервных волокон, отражающимися в свете лазера.
Более того, Фельд говорит, что новый подход не исчерпал всех собственных возможностей, и что с ним реально достигнуть разрешения в 150 нанометров либо кроме того выше.
Создатели способа опробовали его на последовательности отдельных клеток (в частности — на цервикальных раковых клетках) а также на многоклеточных организмах (к примеру, они отсняли червя нематоду). В последнем случае возможность заметить живого червя в весьма узких подробностях, расставленных компьютером по количеству организма, впечатляет — нематода состоит приблизительно из 1 тысячи клеток и насчитывает 1 миллиметр в длину.
Эритроцит, отснятый при помощи нового интерферометра (фото Gabriel Popescu).
Что до съёмки более больших организмов, то до тех пор пока эта техника сталкивается с рассеянием света в толще тканей (как будет сталкиваться каждая оптическая съёмка). Но авторы новации уверены в том, что их разработка ещё может нарастить «чёткость» и пробивную способность, поскольку она ещё весьма юная (просматривай – сырая).
Необходимо ли пояснять, что возможность в настоящем времени следить за реакцией той либо другой клетки на лекарство, например, обязана заметно продвинуть вперёд медицинские и биологические изучения.
Увидим, новизна способа отображения клетки и нехорошая его изученность на практике свидетельствует, что вместе с физиками такое сканирование предстоит деятельно испытывать и совершенствовать биологам, потому, что не всегда ещё ясно – что именно они видят в том либо другом случае, и что означают те либо иные визуальные трансформации в клетках.
Совершенно верно музыка: услышит любой, но не каждый осознает услышанное. Что ж, за ценителями внутриклеточной красоты дело не станет. Было бы музыкальных инструментов таких побольше.
В смысле… научных инструментов.
