Новый микроскоп позволяет наблюдать 4D-развитие эмбриона мыши в реальном времени

Учёные впервые получили возможность заглянуть внутрь живого эмбриона мыши и наблюдать, как начинает формироваться кишечник и как клетки сердца делают свои первые неуверенные сокращения. В течение критического 48-часового окна — когда зачаточные органы начинают обретать форму — исследователи могут отслеживать каждую клетку эмбриона, определяя, куда она переместилась, какие гены активировала и с какими клетками взаимодействовала.

Новая работа — это «буквально план строительства целой мыши с клеточным разрешением», говорит Филипп Келлер, физик и биолог из Исследовательского кампуса Джанелия Медицинского института Говарда Хьюза. Он и его коллеги сообщили о результатах 11 октября 2018 года в журнале Cell. Они делают микроскоп, вычислительные инструменты (созданные в Джанелии) и все данные визуализации бесплатными и общедоступными.

Заглядывая внутрь

До сих пор лучшие изображения живых эмбрионов были получены на рыбах и мухах. Десять лет назад Келлер и коллеги создали первый «цифровой эмбрион» zebrafish (данио-рерио), прозрачной полосатой рыбки.

Мыши — другая история. Для поддержания жизни эмбрионов мыши в лаборатории требуется стерильность, погружение в питательный раствор, точный контроль уровня газов и температуры. Клетки чрезвычайно чувствительны к свету, ткани плотные и непрозрачные, а эмбрион не фиксируется неподвижно, а «дрейфует, как маленький воздушный шарик», говорит Кейт МакДоул, соавтор исследования. Кроме того, за период наблюдения (с 6,5 до 8,5 дней после оплодотворения) эмбрион вырастает более чем на порядок — до почти 3 мм в диаметре.

Поэтому команда разработала микроскоп, который мог бы делать всю работу самостоятельно.

Умный микроскоп

В центре микроскопа находится прозрачная акриловая камера для эмбриона. Два световых листа освещают эмбрион, а две камеры записывают изображения. Это позволило увидеть динамические события раннего органогенеза в высоком разрешении.

Например, команда увидела, что формирование передней кишки — «не медленный, плавный процесс. Вся структура просто проваливается и образует огромное отверстие». А нервная трубка, которая позже формирует мозг и спинной мозг, «застёгивается», как молния.

«Мозг» микроскопа оснащён набором алгоритмов, которые отслеживают положение и размер эмбриона, определяя, как получить наилучшие изображения, удерживая эмбрион в фокусе и в центре поля зрения. Микроскоп постоянно адаптируется к изменениям, принимая решения за миллисекунды.

Новые инструменты

Для каждого исследованного эмбриона было собрано почти миллион изображений. Затем команда создала вычислительный инструментарий для воссоздания истории развития каждой клетки.

• Улучшенная программа отслеживания клеток (изначально разработанная для эмбрионов мух и рыб) в сочетании с новой программой statistical vector flow позволила определить происхождение каждой клетки 8,5-дневного эмбриона.
• Без этих программ человеку потребовалось бы 2–3 года, чтобы отследить каждую клетку.
• Детектор деления клеток автоматически регистрировал, какая клетка делилась, а также где и когда.
• Была разработана программа TARDIS для создания виртуального «усреднённого» эмбриона мыши путём совмещения четырёх эмбрионов в пространстве и времени.

Этот микроскоп — шестая разработка команды Келлера за восемь лет в Джанелии. Их последняя работа затрагивает фундаментальный вопрос биологии: «Как из одной клетки получается эмбрион?»