Объединив две технологии визуализации, ученые теперь могут наблюдать с беспрецедентной трехмерной детализацией, как ползут раковые клетки, соединяются цепи спинномозговых нервов, а иммунные клетки проходят через внутреннее ухо рыбок данио.Физик Эрик Бетциг, руководитель группы исследовательского кампуса Janelia при Медицинском институте Говарда Хьюза, и его коллеги сообщают о работе 19 апреля 2018 года в журнале Science.
Ученые изображали живые клетки с помощью микроскопов в течение сотен лет, но самые четкие изображения были получены с клеток, изолированных на предметных стеклах. По словам Бетцига, большие группы клеток внутри целых организмов борются со светом, как мешок с шариками. «Это вызывает навязчивые сомнения в том, что мы не видим клетки в их естественном состоянии, благополучно укоренившиеся в организме, в котором они развивались».
Даже при индивидуальном рассмотрении клеток микроскопы, которые чаще всего используются для изучения внутренней работы клеток, обычно слишком медлительны, чтобы проследить за действием в трехмерном пространстве. По словам Бетцига, эти микроскопы освещают клетки светом, в тысячи или миллионы раз более интенсивным, чем солнце пустыни. «Это также способствует нашему страху, что мы не видим клетки в их естественной, не подвергающейся стрессу форме.«Часто говорят, что видеть — значит поверить, но когда дело доходит до клеточной биологии, я думаю, что более уместным является вопрос:« Когда мы можем поверить в то, что видим? »», — добавляет он.
Чтобы решить эти проблемы, Бетциг и его команда объединили две технологии микроскопии, о которых они впервые сообщили в 2014 году, в том же году, когда он получил Нобелевскую премию по химии. Чтобы расшифровать свет от клеток, похороненных внутри организмов, исследователи обратились к адаптивной оптике — той же технологии, которую используют астрономы для обеспечения четкого обзора далеких небесных объектов через турбулентную атмосферу Земли. Затем, чтобы быстро, но аккуратно отобразить внутреннюю хореографию этих клеток в 3-D, команда использовала решеточную световую микроскопию.
Эта технология быстро и многократно пропускает ультратонкий световой пучок через клетку, получая серию двумерных изображений, создавая трехмерный фильм субклеточной динамики с высоким разрешением.По сути, новый микроскоп представляет собой три микроскопа в одном: адаптивная оптическая система для поддержания тонкого освещения решетчатого светового листа при его проникновении внутрь организма и еще одна адаптивная оптическая система для создания изображений без искажений при взгляде на освещенную плоскость сверху вниз. выше. Просвечивая лазером любой путь, исследователи создают яркую световую точку в области, которую они хотят отобразить. Искажения в изображении этой «звезды-проводника» говорят команде о природе оптических аберраций на любом пути.
Исследователи могут исправить эти искажения, применяя равные, но противоположные искажения к пиксельному модулятору света на стороне возбуждения и деформируемому зеркалу при обнаружении. На больших объемах искажения меняются, когда свет проходит через разные ткани. В этом случае команда собирает большие трехмерные изображения из серии подобъемов, каждый со своими собственными независимыми поправками на возбуждение и обнаружение.
Результаты предлагают по-новому взглянуть на биологию и показывают оживленный мегаполис в действии на субклеточном уровне. В одном из фильмов, снятых под микроскопом, огненно-оранжевая иммунная клетка безумно извивается через ухо рыбки данио, собирая по пути синие частицы сахара. В другом случае раковая клетка следует за липкими придатками, когда она катится по кровеносному сосуду и пытается закрепиться на стенке сосуда.
По словам Бетцига, сложность трехмерной многоклеточной среды может быть ошеломляющей, но четкость изображений, полученных его командой, позволяет им с помощью вычислений «взорвать» отдельные клетки в ткани, чтобы сосредоточиться на динамике внутри любой конкретной клетки, например на ремоделировании. внутренних органелл при делении клеток.По словам Бетцига, все эти детали трудно увидеть без адаптивной оптики. «Это слишком чертовски нечетко».
По его мнению, адаптивная оптика сегодня является одной из наиболее важных областей исследований в области микроскопии, а решетчатый световой микроскоп, превосходящий возможности получения трехмерных изображений в реальном времени, является идеальной платформой для демонстрации ее возможностей. По его словам, адаптивная оптика еще не получила широкого распространения, потому что технология была сложной, дорогой и до сих пор явно не стоила затраченных усилий.
Но через 10 лет, предсказывает Бетциг, биологи повсюду будут в курсе.Следующий большой шаг — сделать эту технологию доступной и удобной для пользователя. «Технические демонстрации и публикации — это не гора бобов. Единственная метрика, по которой следует оценивать микроскоп, — это количество людей, использующих его, и значение того, что они с его помощью обнаруживают», — говорит Бетциг.
Современный микроскоп заполняет стол длиной 10 футов. «Сейчас это что-то вроде монстра Франкенштейна», — говорит Бетциг, который осенью переезжает в Калифорнийский университет в Беркли. Его команда работает над версией следующего поколения, которая должна поместиться на небольшом столе по цене, доступной для отдельных лабораторий. Первый такой прибор поступит в Центр усовершенствованной визуализации Жанелии, где ученые со всего мира смогут подать заявку на его использование. Планы по созданию собственных копий также будут доступны в свободном доступе.
В конечном итоге Бетциг надеется, что адаптивная оптическая версия решетчатого микроскопа будет коммерциализирована, как и предыдущий прибор для измерения базовой решетки. Это может сделать адаптивную оптику популярной.
«Если вы действительно хотите понять клетку in vivo и изобразить ее с возможным качеством in vitro, это цена за вход», — говорит он.