Новая микроскопия позволяет визуализировать 3D-динамику клеток во всем организме

Исследователи продемонстрировали, что новая методика микроскопии позволяет получать динамические 3D-изображения целой личинки рыбки данио с сохранением клеточного разрешения во всех трех измерениях. Эта техника дает беспрецедентный взгляд на взаимодействие клеток в их естественном состоянии и может быть использована для разработки новых методов лечения заболеваний.

"Выявление основных клеточных структур и их взаимодействия имеет фундаментальное значение для понимания жизни, — сказал руководитель исследовательской группы Цзи И из Университета Джонса Хопкинса. — Однако ограничения дифракции света затрудняют получение изображений с 3D-клеточным разрешением на больших площадях в несколько миллиметров. Мы обошли компромиссы между полем зрения, разрешением по глубине и скоростью съемки, чтобы достичь 4D-клеточного разрешения на гораздо большем поле зрения, чем было возможно ранее".

В журнале Optica исследователи сообщают, что их новый метод мезоскопической микроскопии наклонной плоскости может захватывать до трех раз больше разрешаемых точек изображения в пределах 3D-объема по сравнению с другими подобными системами. Микроскопия наклонной плоскости — это тип светлопольной микроскопии, которая использует лист лазерного света для освещения тонкого среза образца, помеченного флуоресцентными маркерами.

"Изучение биологических систем в их более широком контексте — также известном как мезоскопический масштаб — дает целостную информацию для сложных биологических систем, таких как полная нейронная цепь в мозге мыши, 3D-культура тканей или целые личинки данио, — сказал И. — Наша работа также закладывает основу для дальнейшей разработки, которая позволит проводить еще более быструю, масштабную и глубокую биологическую визуализацию".

Преодоление компромиссов

Вместо добавления дополнительного набора камер исследователи использовали оптический компонент, известный как дифракционная решетка, для создания дифракционного светового листа. Это улучшает сечение по глубине и разрешение при использовании объектива с низким увеличением. В результате появляется возможность проводить мезоскопическую визуализацию с полем зрения в несколько миллиметров в ширину, сохраняя способность разрешать отдельные клетки в 3D.

Исследователи продемонстрировали свою новую технику, визуализировав две важные крупномасштабные модельные системы:

• Живые личинки данио длиной 3–4 мм.
• Срезы мозга мыши, в которых клетки сохраняли жизнеспособность.

Обе системы экспрессировали флуоресцентные белки, маркирующие определенные типы клеток, такие как нейроны и клетки крови.

Используя свою технику, исследователи смогли получить изображение с полем зрения до 5.4 × 3.3 миллиметра с разрешением 2.5 × 3 × 6 микрон, что позволило провести объемную визуализацию 3D-клеточных структур при однократном сканировании.

Для личинок данио они зафиксировали:

• Объемные записи нейронной активности всего тела со скоростью 2 Гц, что впервые позволяет изучать нейронные цепи во всей центральной нервной системе позвоночного.
• Объемные записи динамики кровотока всего тела со скоростью 5 Гц с 3D-клеточным разрешением, что впервые позволяет отслеживать отдельные клетки в полной 3D-системе кровообращения.

В дальнейшем исследователи планируют улучшить эффективность сбора света для увеличения скорости визуализации, а также внедрить многофотонную микроскопию для увеличения глубины проникновения.