Новый инструмент для визуализации внутриклеточных процессов
Исследователи из Центра конвергентной бионауки им. Микельсона при Университете Южной Калифорнии разработали революционную технику, позволяющую собирать и систематизировать детальную информацию об органических тканях в рекордные сроки. Метод может найти применение в быстрой обработке биопсий при онкологии или обнаружении бактерий на пищевых производствах.
Ткани испускают слабые и трудноразличимые сигналы (внутренние поля). Новая техника, описанная в статьях в Nature Methods и Cell Reports Methods, использует сложный математический алгоритм для улучшения качества этих сигналов и их разделения.
Принцип работы: метод сравнивают с адаптивной потоковой передачей видео, где качество сжатия меняется в зависимости от скорости соединения. «Мы берём очень большие и сложные данные, перемещаем их в сжатое пространство, а затем анализируем огромные наборы данных — сгруппированные по сходству в гистограмму — с высокой чувствительностью и рекордной скоростью», — объясняет соавтор исследования Франческо Кутрале.
Алгоритм Hybrid Unmixing: окно в сложность клеток
Алгоритм Hybrid Unmixing, описанный в Nature Methods, развивает методы высокосодержательной визуализации с использованием флуоресценции. Он сочетает линейное разделение (linear unmixing) для анализа компонентов, помеченных флуорофорами, и гиперспектральные фазоры (hyperspectral phasors), использующие весь цветовой спектр, а не только RGB.
Это позволяет одновременно визуализировать яркие и слабые меченые компоненты в живой ткани (in vivo) даже при слабом освещении, не повреждая образец. Метод обеспечивает параллельный анализ клеточного поведения и метаболизма, давая более точное представление о сложности биологических систем.
«Обычно исследуют только 2–3 метки одновременно, но в клетках взаимодействует больше факторов. Мы успешно разделили до 14 различных сигналов», — отмечает Кутрале.
Алгоритм открывает возможности для применения в науках о жизни, оценке качества фруктов, обнаружении пестицидов и оптимизации производства.
Камера SHy-Cam: быстрая и эффективная съёмка
В статье в Cell Reports Methods описана аппаратная часть — камера SHy-Cam (Single-shot Hyperspectral Phasor Camera), оптимизированная для захвата такой информации.
Традиционные методы флуоресцентной визуализации используют цветовые каналы по всему спектру, что снижает скорость съёмки и может повредить образцы при избыточном освещении. SHy-Cam, построенная из доступных оптических компонентов, позволяет быстро получать спектральную информацию с помощью нового алгоритма.
Характеристики камеры:
- Скорость съёмки: 30 наборов данных в секунду.
- Фотонная эффективность: более 80%.
- Мощный инструмент для многокрасочной визуализации in vivo.
Инновационный подход: вместо захвата 42 стандартных спектральных каналов команда использует свет для преобразования и сжатия информации. «Мы захватываем оси X и Y изображения, а также спектральную информацию по оси длин волн — всё в одном снимке на стандартную камеру», — говорит Кутрале.
Этот подход в до 8 раз эффективнее существующих инструментов по количеству света, достигающего сенсора камеры.