Интересный пример — микротрубочки. Полая трубчатая структура служит основой ячеек и помогает переносить материалы в ячейке.
Неисправные микротрубочки связаны с различными заболеваниями, включая рак и болезнь Альцгеймера.Понимание того, как функционируют микротрубочки, может быть важным шагом в понимании прогрессирования заболевания.
Однако изучение одной динамической микротрубочки диаметром 24 нанометра и длиной до 10 микрон — непростая задача.Исследователи из лаборатории количественной световой визуализации в Институте передовых наук и технологий им. Бекмана при Университете Иллинойса смогли использовать безметочную пространственную световую интерференционную микроскопию (SLIM) и компьютерную обработку, чтобы получить изображение микротрубочек в анализе.
Исследование «Визуализация динамики отдельных микротрубочек без использования меток с помощью пространственной световой интерференционной микроскопии» было недавно опубликовано в ACS Nano.Возможность видеть микротрубочки без использования красителей или красителей является важным вкладом.«Отсутствие этикеток — это, на мой взгляд, главный прорыв», — сказал Габриэль Попеску, доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии, член группы Beckman’s Bioimaging Science and Technology Group.
Попеску является старшим автором исследования.«Были и другие попытки сделать это без этикеток, это очень важный класс проблем. Текущие методы дают меньшее поле зрения, и контраст изображения не так хорош».Измеряя, сколько света задерживается через образец во всех точках поля зрения, исследователи могут найти карту длины оптического пути для образца.
Эта длина оптического пути — или информация о фазе — относится к показателю преломления и толщине образца, что позволяет проводить подробные исследования структуры и динамики ячеек.«Инструмент обеспечивает размытие изображения, которое намного больше, чем размер микротрубочки», — объясняет Попеску. «Таким образом, это как будто размывает значения этой фазовой задержки.
Но поскольку наша система очень хорошо работает, мы можем сделать резервную копию и придумать эффективное значение индекса для микротрубочки, что является правильным».Используемая числовая обработка обеспечивает чувствительность не только для просмотра канальцев, но также используется для измерения светорассеяния.«Ключевой физический момент заключается в том, что, когда вы знаете как интенсивность, так и фазу света, вы можете численно обработать эту информацию и виртуально распространять свет в любом месте пространства, в том числе в плоскости, далеко от микротрубочки, чтобы изучить рассеянный свет ", — сказал Попеску.
Предыдущие попытки визуализации крошечных структур использовали иммунофлуоресценцию, вводя антитела во флуоресцентные красители, чтобы четко увидеть, как клетка функционирует. Однако флуоресценция может влиять на функцию клеток и время, в течение которого клетка может быть визуализирована.«Мы визуализировали их в течение очень долгого периода времени, не две или три минуты, а, скорее, восемь часов», — сказал Михаил Кандел, докторант в области электротехники и вычислительной техники и ведущий автор исследования. «Людей интересует скорость метаболизма белков, которые проходят по микротрубочкам, и мы показали, как можно наблюдать за замедлением этих белков, что эквивалентно контролю за потреблением их источника топлива».«Вы могли бы потенциально выяснить потребление АТФ и характеристики подвижности белков, что очень интересно».
Исследователи Beckman работали с Полом Селвином, профессором физики.«Это только что стало результатом обсуждения с группой Пола Селвина, которая долгое время изучала микротрубочки с использованием традиционных методов флуоресценции», — сказал Попеску. «Михаил связался со своими учениками, и они сказали: давайте попробуем. Увидеть их с другими типами флуоресценции — это большое улучшение, потому что вы можете постоянно изображать их».«Моя группа заинтересована в том, чтобы увидеть, как белки перемещаются по микротрубочкам и вокруг них», — сказал Селвин, один из авторов исследования. «Этот новый метод не только позволяет нам получить представление о том, как клетки будут функционировать с течением времени, но также повышает возможность визуализации клеток in vivo».
По словам исследователей, SLIM — это продукт промышленного производства, который можно заменить на любой микроскоп. Это позволяет биологам использовать другие методы микроскопии, включая флуоресценцию, в дополнение к SLIM. Продукт SLIM можно приобрести в компании Phi Optics, основанной Попеску.«Одна из самых больших проблем в интерферометрии — это чувствительность, на которую сильно влияет шум окружающей среды, например, вибрации или колебания воздуха.
Но с особой стабильной геометрией, используемой в SLIM, мы действительно можем достичь невероятной чувствительности в долях нанометров», — сказал он. Попеску.Исследователи планируют расширить границы визуализации клеток, надеясь, что визуализируют микротрубочки в живых клетках.
«Если нам удастся протолкнуть это в живую клетку, это станет настоящим прорывом», — сказал Попеску. «Мы ожидаем серьезных проблем из-за фона, который существует в клетках. Ободренные этими результатами, мы думаем, что однажды мы сможем иметь такую чувствительность, чтобы видеть фазовые сдвиги от отдельных молекул.
«Мы еще не достигли цели, но можно мечтать».Работа поддержана Национальным научным фондом и Национальными институтами здравоохранения.