Принцип физического расширения биологических образцов для визуализации известен как экспансивная микроскопия.
В этом методе для гомогенного расширения клеток и разуплотнения биомолекул используется гидрогель, что дает исследователям возможность визуализировать мелкие детали с помощью стандартных микроскопов вместо дорогостоящих специализированных инструментов. Лаборатория биофотоники в Университете Карнеги-Меллон, возглавляемая Леоном Чжао, является лидером в области развития экспансивной микроскопии для биомедицинских применений. MicroMagnify, последний протокол, опубликованный лабораторией Чжао, делает еще один шаг вперед в их работе. Этот протокол позволяет расширять сложные микробные клетки и инфицированные ткани без искажений, что обеспечивает улучшенную высокоразрешающую флуоресцентную визуализацию.
Инструменты оптической визуализации со сверхразрешением крайне важны в микробиологии для понимания сложных структур и поведения микроорганизмов, таких как бактерии, грибы и вирусы. "Визуализация инфицированных тканей и патогенных микроорганизмов всегда была сложной задачей из-за мизерного размера бактериальных клеток, зачастую составляющего 1 микрон и менее", - пояснил Чжао. "Разработка экономически эффективной наноразмерной технологии визуализации патогенов в тканях хозяина крайне важна как для научных исследований, так и для клинических применений".
Традиционные методы экспансии с трудом позволяют разрушить толстые, жесткие клеточные стенки бактериальных патогенов, таких как золотистый стафилококк, и аналогичные оболочки грибковых патогенов, которые обеспечивают сохранность формы клеток. Однако сотрудник лаборатории Чжанъю Ченг обнаружил, что сочетание тепловой денатурации и ферментных коктейлей эффективно разрушает клеточные стенки обоих типов и расширяет микробные клетки и инфицированные ткани без деформации. При этом сохраняются различные биомолекулы, а после расширения возможно окрашивание для визуализации. Ченг является первым автором статьи, описывающей этот процесс, и опубликованной в журнале Advanced Science.
Исследователи часто используют флуоресцентные белки для отслеживания молекул и клеток в процессе визуализации, однако существующие протоколы ограничивают возможности приборов не более чем пятью целями за один прием. По словам Чжао, с помощью MicroMagnify они продемонстрировали, что один образец может быть использован для получения изображений 10-12 целей в инфицированной патогеном клетке млекопитающего. "MicroMagnify сохраняет биомолекулы и белки в геле, что позволяет проводить цикл визуализации, маркировки и промывки с использованием различных реагентов каждый раз. Теоретически это позволяет изучать сотни мишеней", - добавил Чжао.
Для лучшего понимания сложных трехмерных изображений, получаемых с помощью MicroMagnify, лаборатория Чжао и Исследовательский институт Бенаройя (BRI) совместно разработали ExMicroVR - среду виртуальной реальности с погружением.
Имея недорогую гарнитуру виртуальной реальности, компьютер с GPU-ускорением и доступ в Интернет, ученые могут виртуально встречаться для изучения биологических данных.
"В этом пространстве участники могут видеть изображение клетки и взаимодействовать с аватарами друг друга", - рассказал Чжао. "Они могут манипулировать изображением клетки, указывать на нее, разговаривать, находить интересующие их области и участвовать в обсуждении реакции клетки на вторжение патогена". Кроме того, MicroMagnify применяется для изучения микробиомов кишечника. "Микробиомы невероятно сложны, и их взаимодействие с органами хозяина может существенно влиять на развитие заболеваний, например, опухолей", - отметил Чжао. "С помощью методов MicroMagnify мы сможем определить состав и сигналы этих микробиомов и изучить, как их взаимодействие с органами хозяина влияет на развитие заболеваний, например, рака. Это позволит нам с наноразмерной точностью составить профиль микробиомов и их сигнальных белков и выявить конкретные популяции, которые могут способствовать прогрессированию заболевания или, наоборот, помочь предотвратить его".
