Холотомография: стратегии для передовых биологических исследований

Измерение и анализ трёхмерных (3D) изображений живых клеток и тканей считается критически важным в передовых областях биологии и медицины. Органоиды — 3D-структуры, имитирующие органы, — являются ярким примером объектов, для которых особенно полезна 3D-визуализация в реальном времени. Органоиды служат эффективной альтернативой тестированию на животных в процессе разработки лекарств и могут ускорить определение персонализированной терапии. Кроме того, ведутся активные исследования по использованию органоидов для замены органов.

Наблюдение 3D-биологических образцов, таких как органоиды и колонии стволовых клеток, на уровне органелл без окрашивания или предварительной обработки имеет большое значение как для инноваций в фундаментальных исследованиях, так и для биоиндустриальных приложений в области регенеративной медицины.

Холотомография (HT) — это метод 3D-оптической микроскопии, реализующий 3D-реконструкцию, аналогичную компьютерной томографии (CT) на рентгеновском излучении. Хотя HT и CT имеют схожую теоретическую основу, HT позволяет проводить высокоразрешающее исследование внутренней структуры клеток и тканей, а не человеческого тела.

HT получает 3D-изображения клеток и тканей на уровне органелл без химического или генетического мечения, преодолевая различные ограничения существующих методов в биологических исследованиях и индустрии. Её потенциал особенно важен в тех областях, где нельзя нарушать физиологию образца, например, в регенеративной медицине, персонализированной медицине и лечении бесплодия.

Данная статья представляет преимущества и широкую применимость HT для биомедицинских исследователей, одновременно давая обзор принципов и будущих технических задач для специалистов в области оптики. В ней демонстрируются различные случаи применения HT в таких областях, как 3D-биология, регенеративная медицина и исследования рака, а также предлагаются пути будущего развития оптических технологий.

Также в статье приводится классификация HT по типу источника света с подробным описанием принципов, ограничений и улучшений для каждой категории. Особое внимание уделяется стратегиям углубления исследований клеток и органоидов за счёт внедрения искусственного интеллекта (AI) в HT. Исследование опубликовано в журнале Nature Reviews Methods Primers.

Благодаря потенциалу для развития передовой биоиндустрии, HT привлекает интерес и инвестиции университетов и компаний по всему миру. Исследовательская группа KAIST лидирует в этой международной области, разрабатывая ключевые технологии и проводя важные прикладные исследования на протяжении последнего десятилетия.

Статья написана в соавторстве с доктором Геоном Кимом из Исследовательского центра естественных наук KAIST, командой профессора Ки-Джуна Юна с кафедры биологических наук, командой директора Бон-Кёна Ку из Центра геномной инженерии Института фундаментальных наук (IBS) и командой доктора Сонсу Ли из Корейского института фундаментальных наук (KBSI).