Создан микроскоп, объединяющий микро- и наномир в одном изображении

Концептуальная иллюстрация двунаправленного количественного микроскопа рассеяния, который детектирует как прямое, так и обратно рассеянное свет от клеток. Такое двойное детектирование позволяет визуализировать структуры от морфологии целой клетки до наноразмерных частиц. Авторы: Хори и др., 2025 г.

Исследователи Кохки Хори, Кэйитиро Тода, Такума Накамура и Такуро Идегучи из Токийского университета создали микроскоп, способный детектировать сигналы в диапазоне интенсивностей, в четырнадцать раз более широком, чем у стандартных приборов. Система также работает безметочно, то есть не relies на добавленные красители. Этот щадящий подход позволяет клеткам оставаться неповреждёнными во время длительной визуализации, что может принести пользу при тестировании и контроле качества в фармацевтической и биотехнологической отраслях. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Микроскопы двигали научный прогресс с XVI века, но серьёзные улучшения часто требовали всё более специализированных инструментов. По мере того как методы становились более продвинутыми, они также сталкивались с компромиссами в том, что они могут измерить. Количественная фазовая микроскопия (QPM) использует прямо рассеянный свет для визуализации структур на микроуровне (в данном исследовании — свыше 100 нанометров), что делает её полезной для получения статичных изображений сложных клеточных особенностей. Однако QPM не может детектировать очень мелкие частицы. Интерферометрическая микроскопия рассеяния (iSCAT) работает иначе, захватывая обратно рассеянный свет, и может детектировать 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 обзора, предоставляемого QPM.

Одновременный захват света в двух направлениях

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

Мотивированные этой целью, команда исследовала, может ли сбор света с обоих направлений одновременно преодолеть разрыв и выявить активность в широком диапазоне размеров и движений на одном изображении. Чтобы исследовать эту идею и подтвердить, что их микроскоп работает как ожидалось, они наблюдали за поведением клеток во время клеточной смерти. В одном эксперименте они получили изображение, которое содержало информацию как от прямого, так и от обратно travelling света.

Разделение перекрывающихся сигналов

«Нашей самой большой проблемой, — объясняет Тода, другой первый автор, — было чисто разделить два вида сигналов из одного изображения, сохраняя низкий уровень шума и избегая их смешивания».

Исследователям удалось идентифицировать движение более крупных клеточных структур (микро), а также гораздо более мелких частиц (нано). Сравнивая паттерны в прямом и обратно рассеянном свете, они могли оценить размер каждой частицы и её показатель преломления, который описывает, насколько сильно свет преломляется или рассеивается при прохождении через материал.

Будущие применения для более мелких частиц

«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 раскрыть, как живые клетки движутся к смерти, контролируя их состояние и перепроверяя наши результаты с помощью других методик».

Современные микроскопы, такие как конфокальные или электронные, позволяют получать детальные изображения, но часто требуют сложной подготовки образцов или могут повреждать живые клетки. Новая разработка японских учёных открывает путь к длительному наблюдению за жизнью клеток в её естественном течении, что особенно важно для изучения действия лекарств и развития болезней.