Новый метод микроскопии показывает изменения клеток при старении, травмах и болезнях

Исследователи под руководством Университета Мэриленда разработали метод оптической микроскопии, способный пролить новый свет на то, как механические свойства клеток меняются в процессе старения, заживления травм и развития заболеваний.

Техника даёт надежду, что однажды учёные смогут точнее определить начальную точку развития рака, ишемической болезни сердца или даже остеопороза. «С помощью света мы можем измерять клетки внутри ткани и заглядывать внутрь клеток, чтобы различить, например, свойства ядра и цитоплазмы», — говорит руководитель группы Джулиано Скарчелли, доцент кафедры биоинженерии UMD.

Команда исследователей из UMD, Массачусетского технологического института (MIT) и Массачусетской больницы общего профиля опубликовала свою работу на этой неделе в Nature Methods.

Каждая клетка содержит цитоплазму — густой раствор, заключённый внутри клетки клеточной мембраной. В основном состоящая из воды, солей и белков, цитоплазма — это место, где происходят большинство клеточных процессов. Более того, цитоплазма служит средством транспорта для генетического материала и действует как буфер, защищая генетический материал клетки от повреждений из-за движения или столкновения с другими клетками.

Взаимодействие между жидкой и твёрдой фазами внутри цитоплазмы играет важную роль в том, как клетки деформируются и перемещаются. Поэтому возможность картирования гидромеханических свойств клеток — таких как вязкоупругость и сжимаемость — критически важна для понимания того, как свойства клеток меняются как симптом болезни в организме или как часть нормальных биологических функций, например, при заживлении ран.

Традиционные методы изучения механических свойств клеток либо требовали контакта с клетками, либо давали изображения с ограниченным разрешением. В результате информации о биомеханических свойствах клеток в 3D-средах не хватает.

Чтобы решить эту проблему, Скарчелли и коллеги представили метод, известный как Бриллюэновская оптическая клеточная микроскопия для неинвазивного 3D-картирования внутри- и внеклеточных гидромеханических свойств. Их метод использует Бриллюэновское рассеяние света — процесс, происходящий, когда свет взаимодействует с флуктуациями плотности в среде. Эти спонтанные флуктуации вызваны коллективными акустическими колебательными модами, известными как фононы, в гигагерцовом диапазоне частот. Таким образом, Бриллюэновская микроскопия даёт бесценную информацию о вязкоупругих характеристиках клеток — и делает это с микроскопическим разрешением, с которым не может сравниться ни одна другая техника.

Бриллюэновская микроскопия открывает новые пути для биомеханического исследования клеток и их микроокружения в 3D с субклеточным разрешением.

Продолжая сотрудничество с Роджером Каммом из MIT, исследовательская группа теперь использует уникальные возможности Бриллюэновской микроскопии для изучения ключевого свойства метастатических клеток — их способности модулировать свои внутренние механические свойства, чтобы проникать в кровеносные сосуды и выходить из них для колонизации отдалённых участков. Усилия команды недавно принесли им пятилетний грант Национальных институтов здравоохранения в размере 3 миллионов долларов на изучение экстравазации опухолевых клеток.