Мультимодальная нелинейная микроскопия в биомедицинских науках
Мультимодальная нелинейная микроскопия стала ключевым методом визуализации в науках о жизни и биомедицине. Она обеспечивает бесконтактную визуализацию структуры тканей и их химического состава, высокую глубину проникновения, естественную 3D-секционность, дифракционно-ограниченное разрешение и низкую фототоксичность.
Основные причины смерти в развитых странах — заболевания, вызванные образом жизни, такие как сердечно-сосудистые болезни и рак. На ранней стадии их сложно диагностировать, на поздней — лечить. Современные биомедицинские исследования направлены на более раннее выявление, что требует новых методов визуализации тонких изменений, например, повреждений ДНК на молекулярном уровне. Бесконтактные методы предпочтительны для исследований in vivo, так как они более надежны и основаны на прямом детектировании маркерных молекул.
Нелинейная визуализация имеет ряд преимуществ: высокая глубина проникновения благодаря использованию лазеров ближнего ИК-диапазона, естественная 3D-секционность и разрешение из-за пространственного ограничения сигнала фокусом лазера, множество эндогенных молекулярных маркеров и параметров процессов для создания химического контраста, низкая фототоксичность позволяет исследовать живые процессы в естественной среде без помех.
За последние годы некоторые реализации нелинейной микроскопии превратились в рутинные инструменты. Однако для изучения сложных механизмов развития болезней и метаболизма необходимо исследовать распределение множества релевантных маркеров. Кроме того, желателен осмотр больших объемов ткани с высоким разрешением. Для этого были разработаны подходы, комбинирующие несколько методов визуализации в мультимодальные платформы. Они позволяют детектировать несколько контрастных агентов или обеспечивают необычайно широкий диапазон размеров для исследования. Использование нескольких контрастных механизмов открывает множество синергий.
В обзорной статье Юрген Попп и команда из Университета Йены (Германия) суммируют последние достижения в области мультимодальной нелинейной визуализации в биомедицинских науках: методологию (контрастные механизмы и характеристики сигналов), а также новые подходы к обработке изображений. Кроме того, они сообщают о технологических разработках, уделяя внимание улучшению глубины проникновения, скорости съемки, пространственного разрешения и стратегий нелинейного мечения. Последняя часть статьи посвящена недавним применениям в фундаментальных исследованиях и биомедицинской диагностике, а также будущим клиническим применениям.
Комбинация нескольких контрастных механизмов используется в двух областях исследований:
- Создание химических карт сложных тканей. Метод позволяет исследовать структуру отдельных клеток, тканей и органов, а также отслеживать структурные и химические изменения, связанные с развитием болезни.
- Исследование динамических живых процессов. Метод используется для неинвазивного изучения сложных динамических механизмов, например, передачи сигналов, транспорта питательных веществ, доставки лекарств и прогрессирования заболеваний.
Хотя для отдельных биомедицинских задач может быть достаточно одного метода (например, генерации второй гармоники (SHG) для сортировки клеток кардиомиоцитов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток, в проточной цитометрии156), анализ дополнительных характеристик излучаемых нелинейных сигналов (помимо интенсивности) дает больше информации (например, о молекулярном упорядочивании и ориентации, как в случае с SHG). Другие применения значительно выигрывают от мультимодальной комбинации нескольких методов из-за увеличения числа доступных эндогенных молекулярных маркеров, например, для бесконтактной гистопатологии тканей.
Для дальнейшего прогресса исследования сосредоточены на комбинации мультимодальной нелинейной визуализации с методами, позволяющими исследовать еще большие объемы интактной ткани, например, оптической когерентной томографией (OCT) или даже МРТ. Для рутинного клинического применения необходимы технологические улучшения для миниатюризации, повышения удобства использования, автоматизации обработки данных и извлечения релевантной информации. Важным шагом к этой цели является модификация стандартных клинических эндоскопов для мультимодальной нелинейной визуализации, пригодной для применения in vivo.