Физики предложили визуализировать клетки при помощи нелинейной оптики
Полностью безмаркерная нелинейно-оптическая визуализация мозга мыши на глубине 200 мкм от поверхности методами генерации третьей оптической гармоники и возбуждения двухфотонной автофлуоресценции, демонстрирующая нейроны и антрациты, окруженные плотной сетью аксонов, дендритов и кровеносных сосудов с эритроцитами. В телах клеток больших пирамидальных нейронов хорошо различимы ядра и ядрышки. Полный размер изображения 250 мкм.
© Pochechuev et al, Optics Letters 2021, 46, 3608. Матвей Почечуев/МГУ
Сотрудники научной школы МГУ «Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект» предложили новый метод для биомедицины, позволяющий визуализировать тонкие особенности строения клеток, включая структуру ядра. Ядрышки – это динамические многофункциональные субядерные структуры, которые играют важнейшую роль в биогенезе рибосом и рибонуклеопротеинов, клеточном ответе на стресс, регуляции митоза и росте клеток. Всестороннее изучение ядрышек позволяет лучше понять динамику развития генетических нарушений в процессе деления клеток, выявлять признаки предрасположенности к онкологическим и нейродегенеративным заболеваниям. Статья опубликована в журнале Optics Letters.
Для визуализации биологических тканей, где способности линейных оптических методов сильно ограничены из-за сильного поглощения и рассеяния, подходы, основанные на нелинейной оптике, предлагают уникальную возможность формировать с большой глубины ткани яркие контрастные изображения с высоким пространственным разрешением. Более того, нелинейно-оптическая микроскопия позволяет осуществлять одновременную регистрацию по нескольким оптическим каналам сигналов оптических гармоник, флуоресцентных маркерных белков, химически селективного комбинационного рассеяния света.
Учёные физического факультета и факультета вычислительной математики и кибернетики (ВМК) в рамках деятельности научно-образовательной школы МГУ «Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект» провели эксперименты на живых срезах мозга мыши и показали, что метод нелинейной оптики позволяет получать об исследуемом объекте уникальную взаимодополняющую информацию.
«Мы показали, что при правильно подобранном флуоресцентном маркировании, специфичные ядерные белки могут быть визуализированы методами двух- и трехфотонного возбуждения, позволяя получать контрастные изображения ядер и ядрышек клеток из глубины сильно рассеивающей ткани. Эксперименты проведены на широком наборе биологических моделей: культуры клеток HeLa, нейроны, астроциты, живые срезы мозга мыши», – отметил профессор кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ Алексей Жёлтиков.
Центральным в данном подходе является интеграция нескольких методов нелинейно-оптической микроскопии на базе компактной универсальной лазерной платформы, что позволяет визуализировать различные компартменты (пространство внутри клетки, окруженный мембраной и связан с выполнением определенной функции) клеток, как с окрашиванием, так и без него.
«Объединение нескольких техник необходимо для точной перекрестной проверки и калибровки методик микроскопии на базе генерации оптических гармоник, что в дальнейшем позволяет использовать их в качестве безмаркерных методов визуализации тела, ядра и ядрышки отдельных клеток в сильно рассеивающих биологических тканях для целей биомедицины»,– добавил младший научный сотрудник ВМК МГУ Матвей Почечуев.