Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 88: внутренний мир клетки

Объединив две существующие технологии обработки изображений, исследователи смогли визуализировать живые клетки в 3D. Теперь они могут хоть сканировать раковые клетки, хоть прослеживать передачу сигнала от нейрона к нейрону,  хоть наблюдать движение иммунных клеток. Обо всем этом исследователи сообщают в журнале Science.

На снимке, сделанном группой, руководителем которой был лауреат Нобелевской премии по химии 2014 года Эрик Бетциг (за прорывы в оптической микроскопии), вы видите, как образуют связи нейроны в спинном мозге рыбки данио рерио.


Ученые визуализируют живые клетки с помощью микроскопов в течение сотен лет, но только на срезах, либо внешних слоях тканей. Но ведь in vivo они существуют совершенно иначе – они соседствуют с клетками своего типа,  другими тканями, сообщаясь с помощью сигнальных молекул. Это ставит под серьезное сомнение достоверность получаемой нам информации о том,  как они живут,  функционируют и регулируются.

Мы не можем даже точно сказать, не влияет ли на клетки свет, благодаря которому возможно само использование оптических микроскопов. А значит, мы понятия не имеем,  что происходит с клетками в живом организме – вот он, эффект наблюдателя.

Чтобы справиться с этими проблемами, команда исследователей в главе с Эриком Бетцигом объединила две технологии микроскопирования, о которых они впервые сообщили в 2014 году. Кстати, в этом же году Бетциг был удостоен нобелевской премии по химии за разработку метода микроскопии с суперразрешением, позволившей обойти предел Аббе. Бетциг первым в истории опубликовал снимок лизосомы, сделанный в оптический микроскоп, на котором были видны отдельные молекулы.

Первой технологией стала адаптивная оптика – похожая на ту технологию, которую используют астрономы на крупнейших обсерваториях Земли, чтобы обеспечить получение детализированного изображения на отдаленные небесные объекты через турбулентную атмосферу Земли (там зеркало телескопа изгибается, чтобы «убрать» искажения).

Кроме этого, группа Бетцига использовала микроскопию светового листа с дискретным освещением (lattice light-sheet microscopy, LLSM). Эта технология позволяет быстро и многократно пропустить ультратонкий пучок света через камеру, в результате чего получается серия двумерных изображений, комбинация которых дает трехмерное динамическое изображение.

Новый микроскоп представляет собой по существу «три в одном»: адаптивную оптическую систему для поддержания тонкого освещения решетчатого светового пласта при его проникновении в ткань и еще одну адаптивную оптическую систему — для создания изображений без искажений при визуализации клеток, расположенных все более и более глубоко в ткани.

Просвет лазером участка ткани вглубь создает яркую точку света в области, которая должна быть отображена. Искажения в изображении этой точки сообщают исследователю характер оптических аберраций вдоль оси луча.  Исследователи могут исправить эти искажения, специально создавая одинаковые, но противоположные по направлению искажения к пикселированному модулю света на стороне возбуждения и деформированное зеркало для детекции. В больших объемах искажения меняются по мере того, как свет проходит через разные ткани. В этом случае команда собирает большие трехмерные изображения из серии снимков, каждый со своими собственными независимыми коррекциями возбуждения и обнаружения.

Результаты, которых можно достичь с использованием этой технологии представлены на фотографиях и даже на видео.

 

Движение иммунной клетки во внутреннем ухе данио рерио


Применение этого метода позволяет взглянуть на динамичный субклеточный уровень организации и жизнедеятельности клеток. Теперь исследователи видят то, чего раньше даже не могли представить. То, что именно сейчас важно и необходимо. То, что невидимо, но значимо.

Бетциг говорит, что все эти детали трудно увидеть без адаптивной оптики. «Это чертовски нечетко». По его мнению, адаптивная оптика является одной из самых важных областей в исследованиях микроскопии сегодня. Решетчатый световой микроскоп, с помощью которого можно получить трехмерные изображения в реальном времени, является идеальной платформой для демонстрации ее мощности.

Следующий важный шаг — сделать эту технологию доступной и удобной для пользователя. Сейчас эта технология крайне дорога и сложна для широкой публики, но по прогнозам Бетцига потребуется около 10 лет,  чтобы внедрить этот метод в широкую биооогическую практику.

В том виде, в котором исследователи использовали при выполнении данной работы, этот «монстр Франкенштейна» (по словам самого Бетцига) занимает стол длиной более 4 метров. Команда работает над версией следующего поколения, которая должна поместиться на небольшом столе по цене, доступной отдельным лабораториям. Первый такой инструмент поступит в Advanced Imaging Center от Janelia, где ученые со всего мира смогут им воспользоваться. В конечном счете, Бетциг надеется на то, что адаптивная оптическая версия решетчатого микроскопа будет коммерциализирована, что поможет ввести адаптивную оптику в основной поток.

Эта и будет та цена, которую стоит настоящее видение клетки in vivo.


Текст: Далья Тюльганова

 “Observing the cell in its native state: Imaging subcellular dynamics in multicellular organisms” by Tsung-Li Liu, Srigokul Upadhyayula, Daniel E. Milkie, Ved Singh, Kai Wang, Ian A. Swinburne, Kishore R. Mosaliganti, Zach M. Collins, Tom W. Hiscock, Jamien Shea, Abraham Q. Kohrman, Taylor N. Medwig, Daphne Dambournet, Ryan Forster, Brian Cunniff, Yuan Ruan, Hanako Yashiro, Steffen Scholpp, Elliot M. Meyerowitz, Dirk Hockemeyer, David G. Drubin, Benjamin L. Martin, David Q. Matus, Minoru Koyama, Sean G. Megason, Tom Kirchhausen, Eric Betzig in Science. Published April 19 2018.
doi:10.1126/science.aaq1392

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *