Новый метод крио-оптической микроскопии позволяет «останавливать время» в живых клетках

Новая техника крио-оптической микроскопии замораживает клетки в движении, позволяя учёным делать сверхдетальные снимки быстрых биологических процессов с беспрецедентной точностью. Фото: 2025, Косуке Цудзи, Масахито Яманака и др., Time-deterministic cryo-optical microscopy, Light: Science&Applications

Оптическая микроскопия — ключевой метод 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 коллабораторами представили технику крио-оптической микроскопии, которая позволяет делать высококачественные количественно точные снимки в точно выбранный момент времени динамической клеточной активности. Захват быстрых динамических клеточных событий с пространственной детализацией и возможностью количественной оценки был серьёзной проблемой из-за фундаментального компромисса между временным разрешением и «бюджетом фотонов» — тем, сколько света можно собрать для изображения. При ограниченном количестве фотонов получаются лишь тусклые, зашумлённые изображения, где важные особенности теряются.

«Вместо того чтобы гнаться за скоростью съёмки, мы решили заморозить всю сцену», — объясняет один из ведущих авторов Косуке Цудзи. — «Мы разработали специальную камеру для заморозки 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 волн ионов кальция в живых клетках сердечной мышцы. Затем детально проработанная замороженная волна была изучена в трёх измерениях с использованием техники сверхразрешения, которая обычно не может наблюдать быстрые клеточные процессы из-за медленной скорости съёмки.

«Это исследование началось со смелого сдвига в перспективе: останавливать динамические клеточные процессы во время оптической визуализации, вместо того чтобы пытаться отслеживать их в движении. Мы считаем, что это станет мощной базовой методикой, предлагающей новые идеи для исследований в области наук о жизни и медицины», — говорит старший автор Кацумаса Фудзита.

Другой ведущий автор, Масахито Яманака, добавляет: «Наша техника сохраняет как пространственные, так и временные особенности живых клеток благодаря мгновенной заморозке, что делает возможным детальное наблюдение за их состоянием. Пока клетки обездвижены, мы можем использовать возможность для проведения высокоточных количественных измерений с помощью различных инструментов оптической микроскопии».

Исследователи также продемонстрировали, как эта методика улучшает точность количественных измерений. Замораживая клетки, помеченные флуоресцентным зондом для ионов кальция, они смогли использовать выдержку в 1000 раз дольше, чем это практично при съёмке живых клеток, что значительно повысило точность измерений.

Для захвата кратковременных биологических событий в точно определённые моменты исследователи интегрировали систему впрыска хладагента с электрическим триггерным запуском. При стимуляции UV-светом для индукции волн ионов кальция эта система позволила заморозить волны в конкретный момент времени после начала события с точностью до 10 мс. Это позволило команде останавливать кратковременные биологические процессы с беспрецедентной временной точностью.

Наконец, команда обратила внимание на комбинирование различных методов визуализации, которые часто сложно согласовать во времени. Благодаря практически мгновенной заморозке образцов теперь можно последовательно применять несколько методов визуализации, не беспокоясь о временном несоответствии. В своём исследовании команда объединила спонтанную рамановскую микроскопию и флуоресцентную микроскопию сверхвысокого разрешения на одних и тех же криофиксированных клетках. Это позволило им увидеть сложную клеточную информацию с разных точек зрения в один и тот же момент времени.

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

Источники: sciencedaily.com, Университет Осаки