«Видим дольше и больше»: новый оптический метод сделал рыбок данио-рерио прозрачными
Российские ученые предложили новый неинвазивный метод для исследования кровеносной системы рыбок данио-рерио. Просвечивая их тело волнами света в инфракрасном диапазоне, авторы смогли наблюдать за биением сердца, расположением сосудов и кровотоком не только на самых ранних стадиях развития, когда личинки визуально прозрачны, но и на значительно более поздних стадиях, когда исследуемые особи практически не пропускают видимый свет. Предложенный подход поможет детальнее изучить действие лекарственных препаратов, экологических и других факторов на функционирование сердечно-сосудистой системы, а также исследовать процессы развития ее патологий. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.
Рыбки данио-рерио — один из самых любимых модельных объектов у биологов. Эти животные неприхотливы в содержании, быстро растут, а также имеют кровеносную систему, похожую по строению на таковую у эмбрионов человека. Поэтому на примере данио-рерио часто изучают болезни сердца и патологии сердечно-сосудистой системы. Такие исследования часто проводят оптическими методами, не наносящими вреда животным: прозрачное тело рыбок просвечивают видимым и ближним инфракрасным излучением. Интенсивность прошедшего света при наличии кровотока зависит от сердечного ритма, и, наблюдая за изменениями, исследователи могут обнаруживать содержащие кровь структуры, строить карты сосудов, измерять сердечные ритмы и решать многие другие задачи, связанные с анализом строения сердечно-сосудистой системы. Однако такие оптические подходы хорошо работают, пока рыбки маленькие и прозрачные. По мере взросления — уже в возрасте одной недели — они приобретают окраску, которая не дает видимому излучению проникнуть сквозь ткани. Поэтому ученые ищут подходы, которые позволят исследовать строение и функционирование сердечно-сосудистой системы рыбок, даже когда их тела перестанут быть прозрачными.
Исследователи из Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН (Москва), Национального исследовательского университета ИТМО (Санкт-Петербург), Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана (Москва), Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) и Института биологии внутренних вод имени И. Д. Папанина РАН (Борок) предложили использовать для исследования сердечно-сосудистой системы электромагнитное излучение более длинноволнового диапазона, чем в стандартных оптических методах. Обычно в экспериментах применяют видимый и ближний инфракрасный свет с длинами волн от 400 до 1000 нанометров, который удобен с точки зрения визуальных наблюдений и регистрации обычными видеокамерами.
Чтобы охватить более широкий спектр, авторы установили в микроскоп два варианта приемников излучения — первый работал в диапазоне 400–1000 нанометров, а второй — 900–1700 нанометров. Затем исследователи сравнили эти два режима, наблюдая за сердечно-сосудистой системой большого количества взрослых рыбок данио-рерио. Эксперименты показали, что оба подхода позволяют проследить за динамикой биения сердца рыб, благодаря чему их можно использовать при изучении нарушений сердечного ритма. Однако с помощью первого, более коротковолнового диапазона (400–1000 нанометров) не удается рассмотреть сосуды рыб сквозь пигментированные участки кожи, а также определить скорость кровотока в этих местах. С помощью регистрации и анализа более длинноволнового излучения, напротив, ученые получили детальные изображения даже самых мелких сосудов. Это объясняется тем, что окраска покровов оказывается «прозрачной» для длин волн в диапазоне 900–1700 нанометров.
«Предложенные нами подходы открывают возможность исследовать развитие и патологии сердечно-сосудистой системы у более взрослых рыб данио-рерио, не нанося при этом никакого вреда самим животным. Долгосрочные эксперименты на этих модельных объектах важны для разработки новых подходов к диагностике и лечению патологий кровеносной системы. Мы продолжим и дальше совершенствовать оптические методы, расширяя возможности неинвазивной диагностики различных тканей и внутренних органов», — рассказывает Демид Хохлов, младший научный сотрудник лаборатории акустооптической спектроскопии Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН.