В Токийском университете группа исследователей — Коки Хориэ, Кэйитиро Тода, Такума Накамура и Такуро Идегучи — разработала новый микроскоп, способный регистрировать сигналы в диапазоне интенсивности, который в четырнадцать раз шире, чем у стандартных приборов. Эта система работает без использования красителей, что является значительным преимуществом, поскольку позволяет не повреждать клетки во время длительного наблюдения. Такой бережный подход открывает новые перспективы для тестирования и контроля качества в фармацевтической и биотехнологической отраслях. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Микроскопы являются движущей силой научного прогресса с XVI века. Однако значительные улучшения часто требовали создания все более специализированных инструментов. По мере развития методик возникали компромиссы в возможностях измерений. Например, количественная фазовая микроскопия (QPM) использует рассеянный вперед свет для визуализации структур микрометрового масштаба (в данном исследовании — более 100 нанометров), что делает её полезной для получения статичных изображений сложных клеточных особенностей. Тем не менее, QPM не способна обнаруживать очень мелкие частицы. Интерферометрическая рассеивающая микроскопия (iSCAT) работает иначе, фиксируя рассеянный назад свет, и может обнаруживать структуры размером с отдельные белки. В то время как iSCAT позволяет исследователям «отслеживать» отдельные частицы и наблюдать быстрые изменения внутри клеток, ей не хватает широкого поля зрения, предлагаемого QPM.
«Я хотел бы понять динамические процессы внутри живых клеток, используя неинвазивные методы», — отмечает Хориэ, один из ведущих авторов работы. Именно эта цель мотивировала команду изучить, может ли одновременный сбор света с обоих направлений помочь преодолеть существующие ограничения и выявить активность в широком диапазоне размеров и движений на одном изображении. Для проверки концепции и подтверждения ожидаемой работы микроскопа учёные наблюдали за поведением клеток во время их гибели. В одном из экспериментов им удалось получить изображение, содержащее информацию как от рассеянного вперед, так и от рассеянного назад света.
«Нашей самой большой проблемой, — поясняет Тода, ещё один ведущий автор исследования, — было чистое разделение двух типов сигналов из одного изображения при сохранении низкого уровня шума и предотвращении их смешивания». Учёным удалось успешно идентифицировать движение как более крупных клеточных структур (микроуровень), так и гораздо меньших частиц (наноуровень). Сравнивая характер рассеяния в прямом и обратном направлениях, они смогли оценить размер каждой частицы и её показатель преломления — характеристику, описывающую, насколько сильно свет изгибается или рассеивается при прохождении через материал.
«В наших планах — изучение ещё более мелких частиц, — говорит Тода, предвосхищая будущие исследования, — таких как экзосомы и вирусы, а также оценка их размера и показателя преломления в различных образцах. Мы также хотим раскрыть, как живые клетки движутся к гибели, контролируя их состояние и перепроверяя наши результаты другими методами». Этот подход обещает значительно расширить возможности наблюдения за живыми системами, предлагая беспрецедентную детализацию и динамический анализ без вмешательства в естественные процессы.
