Новый революционный микроскоп Стэнфордского университета позволяет с поразительной детализацией рассмотреть живые клетки

Исследователи из Стэнфорда разработали микроскоп, способный с высочайшим разрешением, когда-либо достигнутым, демонстрировать взаимодействие наноструктур внутри живых клеток.

Вид на живые клетки стал еще лучше.

Исследователи из Стэнфорда объединили два метода микроскопии для создания уникального прибора, способного в режиме реального времени фиксировать взаимодействие клеточных структур с беспрецедентным разрешением в 120 нанометров. Это самое высокое разрешение, достигнутое на сегодняшний день без использования флуоресцентных меток.

Технология, известная как интерферометрическая сканирующая микроскопия изображений (iISM), позволяет ученым наблюдать за клеточными структурами в их более широкой среде, включая их реакцию на вторжение таких агентов, как патогены, или на лекарства. Описание этого достижения опубликовано в журнале Light: Science and Applications.

«Этот новый микроскоп предоставляет фантастический новый взгляд на клетку, позволяя наблюдать за движением, изменением и взаимодействием крошечных структур и механизмов внутри клетки без необходимости использования флуоресценции», — сказал ведущий автор исследования У. Э. Моернер, профессор химии имени Гарри С. Мошера в Школе гуманитарных и естественных наук Стэнфордского университета. «Это замечательная возможность заглянуть в эти сложные маленькие клеточные структуры, которые управляют нашей жизнью».

Возможности iISM могут способствовать новым открытиям во многих областях биологических наук, включая исследования механизмов заболеваний, разработку лекарств и взаимодействие растений и микроорганизмов.

Хотя iISM не достигает такого же разрешения, как некоторые высокоспециализированные микроскопы, его подход без использования меток предлагает значительные преимущества. Ученые могут наблюдать множество клеточных структур одновременно и следить за ними в течение более длительного времени. Для сравнения, флуоресцентные методы обычно метят только несколько выбранных структур одновременно. Флуоресцентные сигналы также могут со временем ослабевать. Кроме того, метки может быть сложно ввести, и иногда они могут изменять поведение изучаемых структур.

iISM также работает с гораздо меньшей мощностью освещения, чем аналогичные высококонтрастные методы без использования меток. Это снижает вероятность повреждения живых клеток светом и уменьшает вероятность того, что процесс визуализации повредит небольшие, хрупкие структуры, находящиеся под наблюдением.

Первый автор, Мишель Кюпперс, научный сотрудник лаборатории Мёрнера, заявила, что новый микроскоп не предназначен для замены флуоресцентной микроскопии, которая на протяжении десятилетий давала важные результаты в биологии.

«У каждого метода есть свои преимущества и недостатки, и мы верим в их взаимодополняющее применение в будущем», — сказала Кюпперс. «Если мы используем преимущества флуоресценции для молекулярной специфичности и преимущества iISM для контекста и динамики без использования меток, мы действительно сможем начать решать вопросы, которые раньше было трудно решить».

Много «глаз» на одной точке
iISM достигает более высокого разрешения и чувствительности за счет объединения преимуществ двух методов микроскопии. Это сочетание отражает опыт двух соавторов. Мёрнер, получивший Нобелевскую премию по химии 2014 года за свою работу по флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения, пригласил Кюпперс в Стэнфорд, потому что ее докторская диссертация была посвящена «интерферометрической рассеивающей микроскопии».

Рассеяние — причина того, что небо кажется голубым. Когда свет попадает на мелкие частицы, как это происходит с солнечным светом при прохождении через атмосферу и столкновении с пылью, каплями воды и другими молекулами, он меняет направление и рассеивается. Частицы в атмосфере Земли рассеивают короткие синие волны сильнее, чем красные, из-за чего небо кажется голубым человеческому глазу.

В интерферометрическом рассеивающем микроскопе лазерный луч направляется на клетку, и крошечные структуры внутри клетки рассеивают часть этого света. Второй лазерный луч усиливает слабый рассеянный свет настолько, чтобы его можно было обнаружить, позволяя увидеть мелкие структуры.

Главное достижение в iISM заключается в сочетании интерферометрического рассеяния с адаптированной идеей из конфокальных микроскопов следующего поколения. Традиционные конфокальные микроскопы используют диафрагму и один детектор для фокусировки на целевых структурах. Более совершенные версии используют матричные детекторы на основе камер, которые захватывают множество изображений одной и той же области.

Для iISM команда Стэнфорда использовала матричный детектор, который собирает больше света, чем система с точечным отверстием и одним детектором. Это повышает глубину резкости и точность. Концепция аналогична тому, как два человеческих глаза собирают информацию для разделения переднего и заднего планов, за исключением того, что iISM использует десятки и сотни изображений с матричного детектора, а не только два «глаза». Затем исследователи разработали метод объединения этих измерений в изображения с более четкой детализацией и более сильным контрастом.

В результате получился микроскоп без меток, который может достигать разрешения около 120 нанометров, используя при этом меньшую мощность лазера и сохраняя скорость получения изображений. Это означает, что ученые могут наблюдать за живыми клетками в течение более длительных периодов и с более щадящим подходом.

Широкий кругозор для широкого спектра применений
Мёрнер и Кюпперс сейчас работают над дальнейшим усовершенствованием технологии и делают ее доступной для большего числа ученых.

Они уже начали три совместных проекта с другими исследователями из Стэнфорда. Один проект использует микроскоп для наблюдения за взаимодействиями между растительными клетками, грибами и бактериями в режиме реального времени. Другой использует iISM для наблюдения за тем, как противораковый препарат проникает в клетку. Третий запланированный проект будет посвящен изучению того, как эритроциты меняют свою форму при заражении малярией.

«Это не узкоспециализированная методика, — сказал Кюпперс. — Она имеет широкое применение, и мы надеемся, что она принесет пользу научному сообществу, занимающемуся биологическими науками, и приведет ко многим новым открытиям».