Ученые разработали метод оптической микроскопии сверхвысокого разрешения, с помощью которого можно получать видеоизображения движущихся клеток с частотой до 200 кадров в секунду. Пространственное разрешение метода при этом достигает 110 нанометров, пишут ученые в Nature Photonics.
Чтобы получить трехмерные изображения клеток с нанометровым разрешением, как правило, используют либо электронную микроскопию, либо специальные методики оптической микроскопии (в совсем редких случаях для этого предлагают применять и атомно-силовую микроскопию). При этом, в отличие от электронной микроскопии, которая требует для получения изображения покрывать клетки проводящим материалом, замораживать их и держать в условиях вакуума, оптическая микроскопия позволяет проводить измерения при комнатных условиях и даже позволяет наблюдать за клетками в динамике.
Обычно оптическая микроскопия сверхвысокого разрешения, пространственное разрешением которой находится ниже дифракционного предела, основана или на анализе интерференционной картины, которая образуется при освещении люминесцентного образца под различным углом, или использовании ближнепольных методов. Основная проблема микроскопов сверхвысокого разрешения для получения видеоизображений — достаточно низкая частота кадров. Для того, чтобы повысить пространственное разрешение, приходится жертвовать разрешением по времени, и даже в наилучших реализациях метода не удается добиться частоты больше нескольких кадров в секунду.
Ученые из Швейцарии, США и Германии под руководством Тео Лассера (Theo Lasser) из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали новый метод оптической микроскопии сверхвысокого разрешения, с помощью которого можно получать видеоизображения клеток с частотой до 200 кадров в секунду. Добиться этого ученые смогли, объединив в одном устройстве микроскоп сверхвысокого разрешения, основанный на измерении оптических флуктуаций, и устройства для получения изображений с фазовым контрастом, при котором сдвиг фазы света преобразуется в изменение коэффициента отражения изображения. А чтобы получить не плоское изображение, а объемное, каждый кадр снимали для восьми различных горизонтальных срезов.
Изображение клеток, полученные методом оптической микроскопии сверхвысокого разрешения. Слева-направо: раковая клетка линии HeLa, аксон нейрона гиппокампа мыши, клетки мышечных макрофагов
Один из срезов трехмерного изображения клеток, полученного с помощью фазово-контрастной микроскопии. Слева-направо: раковая клетка линии HeLa, аксон нейрона гиппокампа мыши, клетки мышечных макрофагов
С помощью предложенного метода ученые смогли получить трехмерные изображения движущихся объектов в объеме 2,5 × 50 × 50 микрометров с частотой от 50 до 200 кадров в минуту. Пространственное разрешение изображений составило 110 нанометров в плоскости изображения и менее 500 нанометров — вдоль вертикальной оси.
Авторам удалось показать, что разработанный ими метод работает, на нескольких модельных системах с различной динамикой: ученые получили изображения живых фибробластов человека, делящейся раковой клетки линии HeLa, нейронов гиппокампа мыши и мышечных макрофагов. При этом получать объемные видио двигающихся и делящихся клеток можно как с использованием специальных флуоресцентных меток, так и без них.
Движение клетки фибробласта человека на стеклянной поверхности. Видео получено с частотой 200 кадров в секунду
Деление раковой клетки линии HeLa: переход из стадии метафазы митоза в стадию телофазы
В результате предложенная методика позволила не только получить изображения разных типов клеток, но и проследить за движением в них клеточных органоидов и динамикой изменений цитоскелета. Полученные результаты позволяют рассчитывать, что в ближайшее время разработанный подход будет широко использоваться для получения трехмерных фотографий и видеороликов с живыми клетками для биологических и медицинских исследований.
Источник: N+1
