Новый метод микроскопии позволяет получать детальные изображения сложных биологических тканей

Исследователи из IIT разработали новый метод оптической микроскопии, позволяющий получать чрезвычайно четкие и детальные изображения толстых и сложных биологических образцов, таких как раковые клетки HeLa (на фото). Автор: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia

До настоящего времени кожа, мозг и другие ткани человеческого тела было сложно детально рассмотреть с помощью оптического микроскопа, так как контраст изображения снижался из-за высокой плотности их структур. Группа исследователей из лаборатории молекулярной микроскопии и спектроскопии Итальянского института технологий (IIT) в Генуе разработала новый метод, который позволяет ученым видеть и фотографировать биологические образцы во всей их сложности, получая четкие и детализированные изображения. Новая техника стала доступна научному сообществу в режиме «открытой науки», что представляет преимущество для биомедицинской сферы, так как позволяет наблюдать активные клетки, даже при наличии заболеваний, а также изучать взаимодействие лекарств с живыми тканями.

Работа была опубликована в журнале Nature Photonics и является частью исследований, проводимых группой Джузеппе Вичидомини, главного исследователя лаборатории молекулярной микроскопии и спектроскопии, в рамках проекта Brighteyes.

Целью проекта было использование новых однофотонных сенсоров для разработки методов оптической микроскопии, способных наблюдать биомолекулярные процессы внутри живой клеточной системы, такой как органоиды, чтобы изучать их поведение и понимать причины определенных патологий, а также процесс старения человека. Проект также привел к нескольким инновациям, которые уже вышли на рынок благодаря международным промышленным коллаборациям и созданию стартапа Genoa Instruments.

Это последнее исследование представило новый метод оптической микроскопии, решающий конкретную проблему в этой области: получение чрезвычайно четких и детальных изображений толстых и сложных биологических образцов.

«Мы переосмыслили способ, которым микроскопы измеряют свет, попадающий на изучаемые образцы, улучшив как пространственное разрешение, так и контраст при исследовании толстых тканей, где фоновый свет обычно перекрывает их структуру, создавая шум на изображениях», — объясняет Вичидомини, координатор исследования.

Исследовательская группа создала инструмент, который действует как световой скальпель, глубоко проникая и изучая образец без его повреждения. Массив небольших сенсоров фиксирует как свет в точке его попадания, так и вариации его распространения в образце. После записи этой информации алгоритм реконструкции обрабатывает данные, определяя путь света через образец и создавая более четкие и лучше сегментированные изображения без потери качества сигнала.

«Используемый оптический микроскоп оснащен массивом SPAD-детекторов (однофотонные лавинные диоды), способных фиксировать приход отдельных фотонов с очень высокой пространственной и временной точностью», — объясняет Алессандро Зунино, первый автор исследования и постдок в лаборатории молекулярной микроскопии и спектроскопии IIT в Генуе.

«Эта характеристика не только улучшает разрешение и оптическую сегментацию, но и позволяет использовать передовые методы, такие как измерение времени жизни флуоресценции, что крайне важно для изучения молекулярной динамики в живых тканях и получения как структурной, так и функциональной информации».

Исследователи из IIT разработали новый метод оптической микроскопии, позволяющий получать чрезвычайно четкие и детальные изображения толстых и сложных биологических образцов, таких как корневище ландыша майского (на фото). Автор: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia

Учитывая важность этого достижения для оптической микроскопии и наук о жизни, полученные результаты были сделаны доступными для всего международного сообщества в соответствии с принципами открытой науки. Новый метод является открытым и свободно доступным.

Любая лаборатория может внедрить, модифицировать и применять его в своей работе бесплатно и без необходимости в сложном оборудовании. Авторы свободно опубликовали программное обеспечение и данные, открывая путь для быстрого распространения и дальнейших инноваций в научном сообществе.

Потенциальные применения метода многочисленны: от изучения тканей мозга, опухолей, органоидов и других сложных биологических систем до прямого наблюдения за клеточной жизнью для понимания прогрессирования заболеваний. В фармацевтической сфере эта техника может использоваться для визуализации в реальном времени взаимодействия лекарств с живыми биологическими тканями, ускоряя и повышая точность открытия новых методов лечения.

Дополнительная информация: Alessandro Zunino et al, Structured detection for simultaneous super-resolution and optical sectioning in laser scanning microscopy, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01695-0

Источник: Italian Institute of Technology