Новый микроскоп впервые показывает живые наноразмерные биологические процессы
Исследователи из Неймегена (Нидерланды) установили первый в мире микроскоп, способный проводить визуализацию биологических процессов в живом виде с такой детализацией, что видны движущиеся белковые комплексы. Новую методику микроскопии разработали учёные под руководством Нико Соммердейка из Медицинского центра Университета Радбауд. В качестве демонстрации возможностей техники Соммердейк показывает, как начинается кальцификация артерий.
Ранее перед исследователями стоял выбор. Они могли использовать микроскоп для детального изучения материала вплоть до молекулярного уровня, но только в замороженных, неподвижных образцах. Либо они могли наблюдать живой, движущийся материал, но с гораздо меньшей детализацией. Исследователи из Radboudumc разработали технику, которая объединяет оба подхода. Это открывает новые возможности, например, визуализацию того, как вакцина от COVID-19 проникает в клетку, или фиксацию начальных стадий кальцификации артерий.
Связанное исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
Технические вызовы
«Если вы хотите увидеть белковые комплексы в таких мелких деталях, вам нужен электронный микроскоп, — объясняет Нико Соммердейк, профессор биохимии костной ткани в Radboudumc. — Но используемый электронный пучок может повредить биологический материал и окружающую жидкость, что нежелательно, когда вы хотите наблюдать естественные процессы в материале в течение длительного времени».
Решение заключается в нанесении защитного слоя вокруг материала, чтобы минимизировать повреждения от электронного пучка. Этого можно достичь с помощью графена — сверхпрочного вещества, состоящего из одного слоя атомов углерода.
«Но как только вы его наносите, биологический процесс, который вы хотите зафиксировать, начинается немедленно, — объясняет Соммердейк. — И тогда вам нужно быстро добраться до микроскопа, найти нужное место в ткани и настроить микроскоп. Этот процесс занимает не менее получаса, а иногда процесс уже заканчивается к тому времени».
Кальцификация артерий
Соммердейк и его команда разработали метод для решения всех этих проблем. Они наносят слой графена вокруг ткани и немедленно замораживают её, приостанавливая биологические процессы. Затем с помощью светового микроскопа они определяют конкретную область в ткани, которую хотят визуализировать. Только после определения правильной ориентации материал помещают в новый электронный микроскоп, который может проводить измерения в жидкости. В этой установке материал нагревают, реактивируя биологические процессы, которые затем непосредственно визуализируются в наномасштабе.
В качестве примера возможностей новой техники Соммердейк и его команда показывают, как откладывается кальций в форме, которая может привести к кальцификации артерий и аортального клапана.
Аспирант Луко Рюттен поясняет: «Если в крови слишком много фосфата кальция, определённый белок в организме может связываться с ним, предотвращая его осаждение. Затем почки выводят его. Под микроскопом мы видим, что эти белки образуют крошечные сферы с фосфатом кальция, которые ещё можно разрушить. Но эти сферы также могут увеличиваться, вызывая превращение фосфата кальция в кальцинированные отложения, которые уже нельзя разрушить».
Это может способствовать кальцификации в организме.
Клапан сердца на чипе
В настоящее время не существует лечения кальцинированного аортального клапана, кроме полной замены клапана.
«Мы до сих пор не до конца понимаем, что именно происходит при таком типе кальцификации, поэтому лекарств пока нет», — говорит Соммердейк.
Он намерен продолжить изучение этого с помощью нового микроскопа. В рамках этого проекта он планирует разработать «клапан сердца на чипе». Изначально это будет модель здорового клапана, в которую затем будет введена кальцификация. Этот проект начнётся в 2025 году.