Новый микроскоп позволяет отслеживать отдельные клетки в процессе эмбриогенеза

Исследователи из кампуса Janelia Farm Медицинского института Говарда Хьюза разработали новую технологию визуализации, которая с беспрецедентной скоростью и точностью позволяет отслеживать каждую клетку в эмбрионе по мере его формирования в течение часов или дней.

Технология, описанная в выпуске журнала Nature Methods от 3 июня 2012 года, основана на высокоскоростном неинвазивном световом микроскопе, который одновременно захватывает изображения с четырех разных углов. Этот подход позволяет создавать фильмы, показывающие, как простой кластер клеток превращается в сложный организм. Например, в одном фильме, скомпилированном из миллиона изображений, сделанных за 20 часов, видно, как эмбрион плодовой мушки длиной полмиллиметра формирует тело с десятками тысяч плотно упакованных клеток и начинает двигаться за счет сокращения новых мышц перед вылуплением личинки.

Изобретатель технологии, сотрудник Janelia Farm Филипп Келлер, подчеркивает, что это качественный скачок: «Это разница между возможностью количественно измерить этот процесс и невозможностью даже проследить за клетками». Ранее ученые были вынуждены собирать картину развития из снимков разных стадий у разных организмов, что не отражало динамической сути процесса и могло вводить в заблуждение.

Новый микроскоп, названный SiMView, развивает технологию светового листа, которую Келлер разрабатывал ранее. Она уменьшает повреждение клеток светом, освещая только тонкий срез образца лазерным «листом». Однако в крупных или непрозрачных эмбрионах (например, дрозофилы) свет рассеивался, делая видимыми лишь около 30% образца.

Решение заключалось в одновременной съемке с четырех направлений: два световых листа освещают образец с противоположных сторон, а два детектора регистрируют флуоресценцию. Это делает микроскоп в 50 раз быстрее систем, захватывающих несколько видов последовательно. Для поддержания точности микроскоп оснащен электронной системой, вносящей коррективы в реальном времени.

Главным вызовом стало управление огромным объемом данных. Микроскоп генерирует 350 мегабайт данных в секунду, а съемка одного образца за день может дать десятки терабайт. Для анализа этих данных и автоматического отслеживания отдельных клеток в лаборатории были разработаны специальные вычислительные методы.

Теперь технология позволяет не только прослеживать клеточные линии в эмбрионе, но и изучать механизмы развития, манипулируя им. Команда начала применять микроскоп для отслеживания развития более сложных образцов, таких как эмбрионы мыши, личинки дрозофилы, а также для мониторинга сигналов в мозге zebrafish.

«Микроскоп больше не является ограничивающим фактором. Это действительно захватывающе», — заключает Келлер.