Группа исследователей из Университета Иллинойса во главе с профессором электротехники, компьютерной инженерии и биоинженерии Габриэлем Попеску опубликовала свои результаты в журнале Nature Photonics.«Одним из основных направлений визуализации клеток является попытка понять, как они функционируют или как они реагируют на лечение, например, во время лечения рака», — сказал Попеску. «Если вам нужно добавить красители или контрастные вещества для их изучения, этот препарат влияет на функцию самих клеток. Он мешает вашему исследованию.
С нашей техникой мы можем видеть процессы, как они происходят, и мы не препятствуем их нормальному поведению. "Поскольку он использует белый свет, WDT может наблюдать клетки в их естественном состоянии, не подвергая их воздействию химикатов, ультрафиолетового излучения или механических сил — трех основных методов, используемых в других методах микроскопии. Белый свет также содержит широкий спектр длин волн, что позволяет избежать проблем, связанных с помехами, присущих лазерному свету, например, спеклов.
Трехмерные изображения состоят из множества изображений поперечного сечения, очень похожих на изображения МРТ или КТ. Микроскоп перемещает фокус по глубине клетки, получая изображения в различных плоскостях фокусировки. Затем компьютер использует теоретическую модель и компилирует изображения в когерентную трехмерную визуализацию.
По мнению исследователей, наибольший потенциал WDT — это способность изучать клетки в трех измерениях с течением времени. Поскольку клетки не изменяются, их можно многократно отображать, что позволяет исследователям заглянуть в динамику клетки в процессе ее жизненного цикла или в процессе лечения новым лекарством.«По мере роста клетки мы можем видеть изменения во всех трех измерениях», — сказал Тэу Ким, аспирант и первый автор статьи. «Мы можем увидеть динамику клетки в трехмерном изображении, чего не было в количественном отношении.
Например, мы могли бы увидеть, за минуту или за время жизни клетки, как она растет и как вещи в камере перемещаются ".«С помощью этого изображения мы можем сказать, в каком масштабе вещи внутри клетки транспортируются случайным образом и в каком масштабе процессы на самом деле организованы и детерминированы», — сказал Попеску. «На первый взгляд динамика выглядит довольно запутанной, но когда вы смотрите на нее — мы часами смотрим фильмы, — и вы понимаете, что все это имеет смысл. Все организовано идеально в определенных масштабах.
Это то, что делает ячейку жив. Случайность — это просто способ природы пробовать что-то новое ».
WDT использует компонент, который дополняет обычный фазово-контрастный микроскоп, обычное оборудование в биологических лабораториях, без изменения самого микроскопа. Исследователи использовали обычные микроскопы с целью сделать эти новые принципы оптики легкодоступными для биологов. Исследователи надеются, что это позволит быстро и широко внедрить WDT, и Попеску основал стартап Phi Optics, чтобы помочь в достижении этой цели.Помимо биологических приложений, метод WDT имеет значение и в более широкой области оптики, поскольку исследователи раздвинули границы физики, применив теорию рассеяния к оптике визуализации.
«Физика, лежащая в основе этой техники, — еще одна вещь, которая нас восхищала», — сказал Ким. «Распространение света в целом изучается с приближением, но мы почти не используем приближения. В очень сжатой форме мы можем прекрасно показать, как свет изменяется, когда он проходит через ячейку».
«Мы начали заниматься этой проблемой два года назад, пытаясь математически сформулировать эффект секционирования, наблюдаемый в световой микроскопии с пространственной интерференцией света (SLIM)», — сказал Ренцзе Чжоу, аспирант и соавтор статьи. «Мы придумали уравнения, которые в конечном итоге описали WDT. Окончательное уравнение красивое, и теория открывает возможности для решения других оптических проблем на новом теоретическом языке».Затем исследователи надеются продолжить междисциплинарное сотрудничество для изучения приложений WDT в биологии, а также расширения оптики визуализации, продемонстрированной в WDT.
Например, они используют WDT для наблюдения за тем, как стволовые клетки дифференцируются, в надежде лучше понять, как они превращаются в разные типы клеток. Поскольку стволовые клетки настолько чувствительны, для их изучения без побочных эффектов можно использовать только неинвазивный метод белого света, не содержащий химикатов, такой как WDT.