Дослідники з Токійського університету розробили новий мікроскоп, який може одночасно знімати зображення структур у 14 разів ширшому діапазоні інтенсивності, ніж традиційні мікроскопи. Важливо, що це досягається без використання флуоресцентних барвників або інших агентів для мічення, що робить його надзвичайно щадним для живих клітин і ідеальним для тривалих спостережень. Це відкриття, опубліковане в Nature Communications, спрямоване на фундаментальне обмеження сучасної мікроскопії: компроміс між розділенням великомасштабних клітинних структур і відстеженням окремих наночастинок.
Дилема мікроскопії
Протягом століть мікроскопія була рушійною силою наукового прогресу. Однак передові методи історично вимагали спеціалізації. Кількісна фазова мікроскопія (QPM) чудово дозволяє отримати зображення структур розміром понад 100 нанометрів, забезпечуючи широкий огляд клітин, але їй бракує чутливості для виявлення дрібних деталей. Інтерферометрична мікроскопія розсіювання (iSCAT), навпаки, може відстежувати окремі білки та наночастинки, але має труднощі з охопленням всебічного клітинного контексту, який спостерігається за допомогою QPM.
Цей поділ змушував дослідників вибирати між цілісними знімками та динамічним відстеженням — досі.
З’єднання розриву: одночасний вимір світла
Дослідницька група під керівництвом Кохі Хорі, Кейічіро Тоди, Такуми Накамури та Такуро Ідегучі припустила, що одночасне вимірювання розсіяного світла вперед і назад може подолати це обмеження. Аналізуючи, як світло взаємодіє зі зразком з обох сторін, вони прагнули виявити широкий діапазон розмірів і рухів в одному зображенні.
«Я хотів би зрозуміти динамічні процеси всередині живих клітин за допомогою неінвазивних методів», — пояснює Хорі, підкреслюючи мотивацію для роботи.
Підтвердження під мікроскопом: спостереження за загибеллю клітин
Щоб перевірити свій новий мікроскоп, команда зосередилася на динамічному процесі: загибелі клітин. Записавши єдине зображення, що кодує інформацію зі світла, що рухається вперед і назад, вони продемонстрували здатність кількісно визначити як рух більших клітинних структур, так і рух крихітних частинок усередині клітини.
«Нашим найбільшим завданням, — пояснює Тода, — було чітко відокремити два типи сигналів від одного зображення, утримуючи при цьому низький рівень шуму та уникаючи їх змішування».
Кількісна оцінка розміру та руху
Отриманий мікроскоп не тільки фіксує рух структур у різних масштабах, але й оцінює розмір і показник заломлення кожної частинки. Показник заломлення, міра того, як світло згинається під час проходження через речовину, надає додаткову інформацію про склад і властивості спостережуваних частинок.
Ця комбінована здатність дозволяє дослідникам відстежувати динамічні зміни в живих клітинах без артефактів, внесених флуоресцентним маркуванням. Уніфікований підхід обіцяє прискорити дослідження у фармацевтиці, біотехнології та інших галузях, які вимагають тривалого спостереження за клітинами з високою роздільною здатністю.
Ця розробка є значним кроком до універсальної мікроскопічної платформи, здатної подолати розрив між мікро- та нанозображеннями.
