Рентгеновская томография живого эмбриона лягушки

Немецко-американско-российская группа исследователей под руководством KIT представила новый метод рентгеновской визуализации, основанный на дифракции, а не на поглощении лучей. Он позволяет получать трёхмерные реконструкции развивающихся эмбрионов шпорцевой лягушки (Xenopus laevis) с клеточным разрешением в режиме замедленной съёмки на протяжении около двух часов.

Преимущества метода:

• Высокое разрешение мягких тканей: метод позволяет различать отдельные клетки, части их структуры, анализировать миграцию одиночных клеток и движение клеточных сетей.
• Без контрастного вещества: схожие ткани различаются по минимальным вариациям их показателя преломления.
• Сниженная доза облучения: что особенно важно для исследования чувствительных тканей живых организмов.

Исследование гаструляции

В работе учёные сфокусировались на движении и изменении формы тканей, полостей и отдельных клеток во время ключевого этапа развития — гаструляции. Именно в этот период из простого шарика из нескольких сотен клеток формируется сложный многослойный организм с дифференцированными тканями.

Ключевые наблюдения:

• Впервые удалось увидеть, как клетки взаимодействуют друг с другом в живом эмбрионе и как формируются и исчезают области, лишённые клеток.
• Миграция клеток похожа на движение народов: стимулируемая перемещением отдельных групп, к ним присоединяются другие клетки, образуя функциональные сети, которые адаптируются к изменяющейся среде.
• Во время миграции клетки специализируются, образуя ткани-предшественники будущих органов (например, мозга или кожи).

Методология и результаты

Исследование проводилось с использованием когерентных рентгеновских лучей на синхротроне APS в Чикаго. Эмбрион диаметром около 1 мм вращался вокруг оси в течение 18 секунд, за которые записывалось около 1200 изображений. Последующая обработка данных позволила получить трёхмерную структуру с микрометровым разрешением. Повторяя процесс с интервалами в несколько минут, учёные получили полную последовательность движений гаструляции.

Непосредственные результаты:

• Открытие новых морфологических структур.
• Прояснение процессов перераспределения жидкостей.
• Определение локализации центров, управляющих миграцией тканей и клеток во время гаструляции, с помощью дифференциального анализа потоков.

Перспективы

Новый метод, сочетающий передовые технологии рентгеновских измерений, анализа изображений и биологии развития, будет внедрён на синхротронных установках ANKA (Карлсруэ) и APS (Чикаго) для широкого научного сообщества. В будущих исследованиях планируется коррелировать фенотипы морфантов с целевым «выключением» ключевых белков, что важно для понимания эмбриогенеза и болезней человека.