Создан «великий унифицированный микроскоп» для изучения структур от микро- до наноуровня

Концептуальная иллюстрация двунаправленного количественного рассеивающего микроскопа, который детектирует как прямое, так и обратное рассеяние света от клеток. Такое двойное детектирование позволяет визуализировать структуры — от морфологии целой клетки до наночастиц. Автор: Хори и др., 2025

Исследователи из Токийского университета создали микроскоп, способный регистрировать сигнал в диапазоне интенсивностей, в 14 раз более широком, чем у обычных микроскопов. При этом наблюдения проводятся бесконтактно, то есть без использования дополнительных красителей.

Это означает, что метод щадит клетки и подходит для длительных наблюдений, что открывает перспективы для тестирования и контроля качества в фармацевтической и биотехнологической отраслях. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Микроскопы играли ключевую роль в развитии науки с XVI века. Однако прогресс требовал не только более чувствительного и точного оборудования и анализа, но и более специализированного. Поэтому современные передовые методы вынуждены были идти на компромиссы.

Количественная фазовая микроскопия (QPM) использует прямое рассеяние света и может обнаруживать структуры на микроуровне (в данном исследовании — свыше 100 нанометров), но не мельче. Следовательно, эту технику в основном использовали для получения статических изображений относительно сложных клеточных структур. С другой стороны, интерферометрическое рассеяние (iSCAT) использует обратное рассеяние света и может обнаруживать структуры размером с отдельные белки.

Таким образом, её можно использовать для «трекинга» отдельных частиц, что позволяет получить представление о динамических изменениях внутри клетки, но она не может обеспечить того всестороннего обзора, который даёт QPM.

«Я хочу понять динамические процессы внутри живых клеток, используя неинвазивные методы», — говорит Коки Хори, один из первых авторов работы.

Таким образом, исследовательская группа, включающая Хори, Кэйитиро Тоду, Такуму Накамуру и Такуро Идэгути, задалась вопросом, может ли одновременное измерение света в обоих направлениях преодолеть этот компромисс и выявить широкий спектр размеров и движений из одного и того же изображения.

Чтобы проверить эту идею и подтвердить, что их новый микроскоп работает как задумано, исследователи решили понаблюдать за тем, что происходит во время гибели клетки. Они записали одно изображение, кодирующее информацию как от прямого, так и от обратного света.

«Нашей самой большой проблемой, — объясняет Тода, другой первый автор, — было чёткое разделение двух видов сигналов из одного изображения при сохранении низкого уровня шума и избегании их смешивания».

В результате они смогли количественно оценить не только движение клеточных структур (микро), но и движение крошечных частиц (нано). Кроме того, сравнивая прямое и обратное рассеяние света, они также смогли оценить размер и показатель преломления каждой частицы — свойство, описывающее, насколько свет изгибается или рассеивается при прохождении через частицы.

«Мы планируем изучать ещё более мелкие частицы, — говорит Тода, уже думая о будущих исследованиях, — такие как экзосомы и вирусы, и оценивать их размер и показатель преломления в различных образцах. Мы также хотим выяснить, как живые клетки движутся к гибели, контролируя их состояние и перепроверяя наши результаты с помощью других методик».

Больше информации: Bidirectional quantitative scattering microscopy, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65570-w

Источник: University of Tokyo