«Самоуправляемый» микроскоп позволяет проводить съёмку в разных масштабах и долгосрочное отслеживание

Новый «самоуправляемый» микроскоп, разработанный исследователями из Медицинского центра UT Southwestern, решает две фундаментальные проблемы, долгое время препятствовавшие микроскопии: во-первых, визуализацию живых клеток или организмов в кардинально разных масштабах, и, во-вторых, отслеживание конкретной структуры или области интереса в течение длительного времени. Эта инновация, подробно описанная в Nature Methods, уже позволяет делать наблюдения, невозможные с помощью обычных методов.

«Наша работа демонстрирует значительный прогресс в интегрированной биоимиджинге, позволяя долгосрочно наблюдать за биологической динамикой в масштабах от клеточного до системного уровня, чтобы в конечном итоге лучше понять процессы развития и болезни», — сказал Рето Фиолка, доктор философии, доцент кафедры биоинформатики и клеточной биологии имени Лиды Хилл в UT Southwestern. Доктор Фиолка совместно руководил разработкой нового микроскопа со Стефаном Дэтвилером, доктором философии, инструктором на той же кафедре.

В течение двух десятилетий, как объяснил доктор Дэтвилер, исследователи сделали множество биологических открытий с помощью техники светлопольной микроскопии, при которой тонкая плоскость света возбуждает флуоресцентные зонды, добавленные к образцу для маркировки конкретных структур. Поскольку свет заставляет эти зонды светиться, исследователи могли легко находить и визуализировать помеченные структуры, что позволяло глубже понять их роль в здоровье и болезнях.

Однако, как отметил доктор Дэтвилер, у светлопольной микроскопии есть существенный недостаток: чем выше разрешение съёмки, тем меньшую область могут снимать исследователи. Таким образом, учёным приходилось выбирать, какое разрешение и поле зрения им требуются, ещё до начала эксперимента. Поэтому они могли либо снимать живые целые организмы с низким разрешением, либо несколько клеток и их внутренние структуры с высоким разрешением. Это ограничение значительно затрудняло понимание биологических процессов, поскольку большинство из них происходят на клеточном, тканевом и организменном уровнях.

Чтобы решить эту проблему, доктора Фиолка, Дэтвилер и их коллеги объединили оборудование для низкоразрешающей светлопольной микроскопии, известное как многонаправленная селективная плоскостная микроскопия (mSPIM), с оборудованием для высокоразрешающей светлопольной микроскопии, называемой аксиально-сканирующей светлопольной микроскопией (ASLM, разработана в UTSW в 2015 году). Для переключения между двумя режимами в течение секунды команда создала новое пользовательское программное обеспечение для управления аппаратным обеспечением микроскопа.

Ещё одной проблемой светлопольной микроскопии было отслеживание структур во времени. Большинство биологических процессов динамичны. Организмы растут, а клетки движутся и размножаются, что требует частого вмешательства человека для перенаправления поля зрения микроскопа — утомительная задача при съёмке биологических процессов, длящихся часами или днями.

Чтобы найти решение, исследователи внедрили в управляющее ПО нового микроскопа режим отслеживания, наделив его функцией «самоуправления». Это позволяет полю зрения микроскопа следовать за определённой областью интереса — которую пользователи отмечают на этапе инициализации — в течение часов или даже дней.

В качестве доказательства концепции исследователи визуализировали человеческие раковые клетки, введённые в личинки рыбки данио-рерио — прозрачные организмы длиной в несколько миллиметров, часто используемые в качестве биологических моделей для исследования рака. Исследователи увидели, что клетки остеосаркомы — типа рака кости — активно атаковались и уничтожались иммунными клетками, называемыми макрофагами. Однако клетки рака кожи не были уничтожены организмом, несмотря на тесное взаимодействие с иммунными клетками.

Приблизив изображение макрофагов, команда наблюдала изменения их формы, которые коррелировали с текущей биологической функцией — например, циркулирующие макрофаги имели иную форму по сравнению с теми, что находились на разных стадиях иммунной атаки.

Несколько коллег в UTSW уже используют новую платформу в своих исследованиях. Управляющее ПО для нового микроскопа имеет открытый исходный код, что позволяет исследователям в других местах адаптировать его под свои нужды.

«Более широкое понимание биологических процессов в разных масштабах повлияет на наши знания о многих заболеваниях, — сказал доктор Дэтвилер. — Это включает прогрессирование рака, метастазирование, нарушения развития, системные заболевания и сердечно-сосудистые заболевания, и это лишь некоторые примеры».