Микроскопия MiROM: визуализация метаболизма в реальном времени без меток

Исследователи из Института биологической и медицинской визуализации Helmholtz Zentrum München и кафедры биологической визуализации TranslaTUM (Технический университет Мюнхена) разработали новую технологию для получения изображений биомолекул в живых клетках в реальном времени без использования меток или контрастных агентов. Метод был оценен в сотрудничестве с Институтом диабета и рака Helmholtz Zentrum München и Университетской клиникой Гейдельберга.

Принцип работы: звук от света

Технология, названная Mid-infraRed Optoacoustic Microscopy (MiROM), использует средние инфракрасные лазеры для возбуждения специфических молекулярных колебаний — «отпечатков пальцев» молекул. Селективное поглощение импульсного среднего ИК-излучения вызывает термоупругое расширение (микроскопическое увеличение объема), которое генерирует ультразвуковые волны. Эти волны детектируются и обрабатываются для формирования изображения распределения конкретных молекул в зависимости от длины волны возбуждения.

Ключевое преимущество MiROM перед существующими методами — возможность работы с живыми, а не только с сухими фиксированными образцами. Поскольку акустические волны легко проходят через ткани, в отличие от фотонов, которые сильно поглощаются водой и тканями, MiROM позволяет визуализировать метаболиты за пределами возможностей существующих технологий.

«MiROM предлагает прорыв в микроскопии. В обычной средней ИК-визуализации более высокая концентрация биомолекул приводит к большей потере сигнала. Напротив, MiROM преобразует среднюю ИК-визуализацию в метод с положительным контрастом, где более высокая концентрация дает более сильные сигналы. Техника демонстрирует безындикаторную визуализацию биомолекул за пределами ограничений чувствительности методов Рамана», — объясняет профессор Василис Нциахристос.

Новые возможности для метаболических исследований

MiROM позволяет в реальном времени наблюдать не только липиды, но также углеводы и белки в субпопуляциях клеток. Это открывает новые возможности для изучения молекулярных процессов, таких как накопление и высвобождение жира (липолиз) в белых и бурых жировых клетках, а также более широкого спектра метаболических процедур и взаимодействий биомолекул.

«MiROM предлагает уникальные in-vivo безындикаторные наблюдения метаболических процессов в реальном времени, которые можно применять для динамического изучения эффектов различных диет на клеточном уровне или оценки эффективности новых классов лекарств», — говорит Мигель Плейтес.

Исследователи работают над усовершенствованной версией MiROM с повышенной скоростью, разрешением и чувствительностью для применения в более широком спектре заболеваний, включая рак.

Первые реализации MiROM в качестве лабораторного микроскопа продемонстрировали метаболическую визуализацию в клетках и эксцизионных тканях. Долгосрочная цель — адаптировать технологию для измерений у людей, чтобы изучать системные процессы, связанные с изменением образа жизни, и оптимизировать стратегии профилактики заболеваний.

Исследование опубликовано в журнале Nature Biotechnology.