Новая микроскопическая техника отслеживает движение тысяч клеток одновременно

Исследователи разработали новый способ наблюдения и отслеживания большого количества быстро движущихся объектов под микроскопом, захватывая точные траектории движения в трёх измерениях.

В ходе исследования, опубликованного онлайн 17 сентября 2012 года в Proceedings of the National Academy of Sciences, учёные отследили беспрецедентные 24 000 быстро движущихся клеток в широких полях зрения и больших объёмах образца, записывая путь каждой клетки до 20 секунд.

«Мы можем очень точно отслеживать движение мельчайших объектов, более тысячи одновременно, параллельно», — говорит руководитель исследования, лауреат награды NSF CAREER Айдоган Озкан, профессор электротехники и биоинженерии в UCLA. «Мы смогли достичь субмикронной точности в большом объёме, что позволило нам статистически понять, как тысячи объектов движутся разными способами».

Новое исследование является развитием многолетней работы Озкана и его коллег, поддержанной NSF, по созданию безлинзовых голографических методов микроскопии. Эти методы находят применение в полевой диагностике болезней, передающихся через кровь, и других областях телемедицины.

Для данной работы Озкан и его коллеги использовали смещённые пучки красного и синего света для создания голографической информации. При обработке сложным программным обеспечением эта информация точно раскрывает пути движения объектов под микроскопом. Исследователи отследили несколько групп из более чем 1500 мужских половых клеток человека в относительно широком поле зрения (более 17 мм²) и большом объёме образца (до 17 мм³) в течение нескольких секунд.

Техника в сочетании с новым алгоритмом обработки данных выявила ранее неизвестные статистические закономерности в движении клеток. Исследователи обнаружили, что мужские половые клетки человека движутся по серии поворотов по постоянно меняющейся траектории, которая иногда следует плотной спирали — спирали, которая в 90% случаев закручена по часовой стрелке (правая спираль).

Поскольку только 4–5% клеток в данном образце двигались по спиральной траектории в любой момент времени, исследователи не смогли бы наблюдать это редкое поведение без новой высокопроизводительной микроскопической техники.

«Эта голографическая техника может ускорить открытие лекарств и оказаться ценной для мониторинга фармацевтического лечения опасных микробных заболеваний», — отмечает Леон Эстеровиц, программный директор NSF по биофотонике.

Наблюдение 24 000 клеток обеспечивает статистически значимый набор данных и полезную методологию для потенциального изучения широкого круга вопросов — от воздействия фармацевтических препаратов на большое количество клеток в реальном времени до лечения бесплодия и разработки лекарств.

Этот же подход может позволить учёным изучать быстро движущиеся одноклеточные микроорганизмы. Новая безлинзовая голографическая техника визуализации потенциально может раскрыть неизвестные элементы поведения простейших и позволить проводить тестирование новых методов лечения в реальном времени.