Учёные разработали крио-оптическую микроскопию для мгновенной «заморозки» клеточных процессов

(A) Концепция метода временно-детерминированной крио-оптической микроскопии и (внизу) быстрое замораживание распространения волны ионов кальция внутри клетки в течение миллисекунд. (B) Камера замораживания на столике микроскопа и улучшенное соотношение сигнал/шум за счёт увеличенного времени экспозиции после быстрого замораживания внутриклеточного распространения ионов кальция. Автор: 2025, Косуке Цудзи, Масахито Яманака и др., Временно-детерминированная крио-оптическая микроскопия, Light: Science & Applications

Оптическая микроскопия является ключевым методом для понимания динамических биологических процессов в клетках, но точное наблюдение этих высокоскоростных клеточных динамик с высоким пространственным разрешением долгое время оставалось сложной задачей.

Теперь в статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications, исследователи из Университета Осаки вместе с учреждениями-партнёрами представили технику крио-оптической микроскопии, которая позволяет делать высококачественные количественные снимки в точно выбранный момент времени динамической клеточной активности.

Захват быстрых динамических клеточных событий с пространственной детализацией и возможностью количественного анализа был серьёзной проблемой из-за фундаментального компромисса между временным разрешением и «бюджетом фотонов» — тем, сколько света может быть собрано для изображения. При ограниченном количестве фотонов получаются лишь тусклые, зашумлённые изображения, где важные особенности как в пространстве, так и во времени теряются в шуме.

«Вместо того чтобы гнаться за скоростью съёмки, мы решили заморозить всю сцену», — объясняет один из ведущих авторов Косуке Цудзи. «Мы разработали специальную камеру для замораживания образцов, чтобы объединить преимущества микроскопии живых клеток и крио-фиксации. Быстро замораживая живые клетки под оптическим микроскопом, мы смогли наблюдать замороженный снимок клеточной динамики с высоким разрешением».

Например, команда заморозила распространение волны ионов кальция в живых клетках сердечной мышцы. Затем исключительно детализированная замороженная волна была наблюдена в трёх измерениях с использованием техники сверхвысокого разрешения, которая обычно не может наблюдать быструю клеточную динамику из-за медленной скорости получения изображений.

«Это исследование началось со смелого сдвига в перспективе: останавливать динамические клеточные процессы во время оптической визуализации, а не пытаться отслеживать их в движении. Мы считаем, что это послужит мощной фундаментальной техникой, предлагая новые представления в исследованиях в области наук о жизни и медицины», — говорит старший автор Кацумаса Фудзита.

Один из ведущих авторов, Масахито Яманака, добавляет: «Наша техника сохраняет как пространственные, так и временные особенности живых клеток благодаря мгновенному замораживанию, что делает возможным детальное наблюдение их состояний. Пока клетки обездвижены, мы можем воспользоваться возможностью для проведения высокоточных количественных измерений с помощью различных инструментов оптической микроскопии».

Исследователи также продемонстрировали, как эта техника улучшает точность количественного анализа. Замораживая клетки, помеченные флуоресцентным зондом для ионов кальция, они смогли использовать время экспозиции в 1000 раз большее, чем это практично при съёмке живых клеток, что существенно повысило точность измерений.

(A) Криогенная двухцветная сверхразрешающая визуализация распределения ионов кальция и актиновых филаментов в кардиомиоцитах новорождённых крыс и трёхмерное сверхразрешающее представление распределения ионов кальция (B) Временно-детерминированная криофиксация внутриклеточного распространения волны ионов кальция. УФ-лазерная стимуляция инициирует распространение волны ионов кальция внутри кардиомиоцита новорождённой крысы, за которым следует быстрое замораживание через 120 мс после стимуляции. Интервал между инициацией события и замораживанием точно определяется с точностью ±10 мс путём электрического управления временем как световой стимуляции, так и впрыска хладагента. Автор: 2025, Косуке Цудзи, Масахито Яманака и др., Временно-детерминированная крио-оптическая микроскопия, Light: Science & Applications

Чтобы захватывать быстропротекающие биологические события в точно определённые моменты, исследователи интегрировали электрически управляемую систему впрыска хладагента. С УФ-световой стимуляцией для индукции волн ионов кальция эта система позволила замораживать волны ионов кальция в определённый момент времени после инициации события с точностью 10 мс. Это позволило команде останавливать быстропротекающие биологические процессы с беспрецедентной временной точностью.

Наконец, команда обратила внимание на комбинирование различных методов визуализации, которые часто сложно согласовать во времени. Благодаря почти мгновенному замораживанию образцов множественные методы визуализации теперь могут применяться последовательно без опасений о временном несоответствии. В своём исследовании команда сочетает спонтанную Рамановскую микроскопию и сверхразрешающую флуоресцентную микроскопию на одних и тех же криофиксированных клетках. Это позволило им увидеть сложную клеточную информацию с нескольких точек зрения в один и тот же момент времени.

Это нововведение открывает новые возможности для наблюдения быстрых, быстропротекающих клеточных событий, предоставляя исследователям мощный инструмент для изучения механизмов, лежащих в основе динамических биологических процессов.

Больше информации: Time-deterministic cryo-optical microscopy, Light Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-01941-8

Источник: University of Osaka