Новый метод визуализации для изучения репродукции и бесплодия
Исследователи разработали новый подход на основе оптической когерентной томографии (OCT), который позволяет напрямую визуализировать координацию крошечных волосообразных структур — подвижных ресничек (цилий) — в их естественной среде. Возможность наблюдать динамику ресничек в живых организмах даёт учёным мощный инструмент для изучения того, как эти структуры перемещают клетки и вещества по женской репродуктивной системе, а также других функций цилий в организме.
Новый метод может ответить на давний вопрос о роли ресничек в нормальной физиологии маточной трубы и о последствиях цилиопатий (нарушений формирования или функции ресничек), которые, например, явно связаны с внематочной беременностью. Метод также имеет потенциал для дальнейшей разработки и адаптации для диагностических целей в клиниках.
В журнале Optica исследователи из Медицинского колледжа Бейлора и Технологического института Стивенса описали свой новый подход к визуализации, основанный на анализе флуктуаций интенсивности пикселей в OCT-изображениях. Они использовали технику для картирования и количественной оценки местоположения ресничек, частоты их биения и координации движения через слои ткани в маточной трубе живой мыши с микроскопическим пространственным разрешением.
Хотя подвижные реснички играют критическую роль во многих системах организма, их малый размер делает визуализацию их динамики очень сложной. Новый метод даёт доступ к этому ранее недоступному физиологическому процессу.
Изучение ресничек в естественной среде
Новое исследование является частью более масштабного проекта по изучению женской репродуктивной физиологии с помощью достижений в оптической визуализации. За последние годы команда разработала интравитальный (прижизненный) подход OCT-визуализации для живых мышей, а также различные функциональные OCT-методы. Эти подходы выявили неожиданное поведение, противоречащее текущим взглядам в репродуктологии, и указали на новые роли ресничек и сокращений гладкой мускулатуры.
Чтобы глубже изучить конкретные роли подвижных ресничек в маточной трубе, исследователи хотели исследовать координацию ресничек и метахронную волну (волнообразное движение, возникающее при скоординированном движении группы ресничек) в физиологической среде. Однако динамика ресничек обычно анализируется с помощью высокоскоростной видеомикроскопии обнажённых реснитчатых поверхностей, что обычно требует вскрытия органа.
Чтобы преодолеть это ограничение и позволить визуализировать реснички в живых организмах, исследователи разработали новый OCT-метод для измерения флуктуаций интенсивности света, создаваемых ресничками. OCT идеально подходит для этого благодаря микроскопическому разрешению, высокой скорости визуализации и способности получать объёмную информацию с глубины до 2 мм в оптически рассеивающей среде, такой как ткань.
Новый метод использует тот факт, что когерентный лазерный свет, взаимодействуя с тканью, рассеивается и создаёт спеклы (пятна) на OCT-изображениях. Если эти спеклы периодически движутся из-за движения ресничек, это вызывает периодическое мерцание в соответствующих пикселях.
Исследователи разработали метод обработки изображений, который находит пиксели со значительными периодическими компонентами, а затем отображает фазу доминирующей частоты (которая соответствует частоте биения ресничек) в пространстве и времени. Это позволяет визуализировать и количественно оценить метахронную волну, создаваемую ресничками.
Измерение метахронной волны
После валидации нового метода исследователи использовали его для изучения влияния температуры на скорость метахронной волны ресничек. Они обнаружили, что с повышением температуры не только увеличивается частота биения ресничек (что было известно ранее), но и возрастает скорость метахронной волны. Они также выполнили in vivo визуализацию метахронных волн ресничек в маточной трубе мыши, используя прямое объёмное картирование, чтобы выявить распространение волн в любом направлении.
Новый метод может быть модифицирован для использования в различных исследованиях динамики ресничек в разных органах. При дальнейшей разработке его можно будет использовать с клиническими OCT-эндоскопами для потенциальной визуализации верхних дыхательных путей с целью диагностики проблем с координацией активности ресничек в дыхательной системе.
Что касается клинического применения в области репродукции, возможно интегрировать новый подход с волоконно-оптическими OCT-зондами, которые можно проводить через маточную трубу. В настоящее время такие зонды проходят клинические испытания и, вероятно, войдут в стандартную клиническую практику в течение нескольких лет.
Женская репродуктивная система изучена гораздо меньше по сравнению с другими органами. Помимо прямого научного воздействия нового метода, исследователи надеются, что эта работа стимулирует других инженеров в области фотоники к изучению физиологии женской репродукции и причин бесплодия.