В исследовании, опубликованном 19 апреля в Интернете в журнале Nature, команда под руководством доцента химии Вэй Минь сообщает о разработке новой платформы для оптической микроскопии с резко увеличенной чувствительностью обнаружения. Кроме того, в исследовании подробно рассказывается о создании новых молекул, которые в сочетании с новым оборудованием позволяют одновременно маркировать и визуализировать до 24 конкретных биомолекул, что почти в пять раз превышает количество биомолекул, которые можно визуализировать одновременно с существующими. технологии.
«В эпоху системной биологии, как одновременно отобразить большое количество молекулярных видов внутри клеток с высокой чувствительностью и специфичностью, остается большой проблемой оптической микроскопии», – сказал Мин. "Что делает нашу работу новой и уникальной, так это то, что есть две синергетические составляющие – инструменты и молекулы, – которые вместе работают над преодолением этого давнего препятствия. Наша платформа способна преобразовать понимание сложных биологических систем: обширную карту клеток человека, метаболические пути, функции различных структур мозга, внутреннюю среду опухолей и сборку макромолекул, и это лишь некоторые из них."
Все существующие методы наблюдения за разнообразными структурами в живых клетках и тканях имеют свои сильные стороны, но всем также препятствуют фундаментальные ограничения, не последним из которых является наличие «цветового барьера»."
Например, флуоресцентная микроскопия чрезвычайно чувствительна и, как таковая, является наиболее распространенным методом, используемым в биологических лабораториях.
Микроскоп позволяет ученым отслеживать клеточные процессы в живых системах с помощью белков, которые широко называют «флуоресцентными белками», обычно до пяти цветов. Каждый из флуоресцентных белков имеет целевую структуру, к которой он применяет «метку» или цвет.
Для маркировки этих структур обычно используются пять флуоресцентных белков или цветов: BFP (синий флуоресцентный белок), ECFP (голубой флуоресцентный белок), GFP (зеленый флуоресцентный белок), mVenus (желтый флуоресцентный белок) и DsRed (красный флуоресцентный белок).
Несмотря на свои сильные стороны, флуоресцентной микроскопии препятствует «цветной барьер», который ограничивает исследователей возможностью видеть максимум пять структур одновременно, потому что используемые флуоресцентные белки излучают ряд неотличимых оттенков, которые, в результате, попадают в пять широких слоев. цветовые категории.
Например, если исследователь пытается наблюдать все сотни структур и различных типов клеток в образце живой ткани опухоли головного мозга, он может видеть только до пяти структур одновременно на одном образце ткани. Если бы она хотела увидеть больше этих пяти, ей пришлось бы очистить ткань от флуоресцентных меток, которые она использовала для идентификации и пометить последние пять структур, чтобы использовать те же флуоресцентные метки для идентификации другого набора до пяти структур. Ей придется повторить этот процесс для каждого набора до пяти структур, которые она хочет увидеть.
Мало того, что наблюдение максимум пяти структур одновременно является трудоемким, но и при очистке ткани жизненно важные компоненты этой ткани могут быть потеряны или повреждены.
«Мы хотим увидеть их всех одновременно, чтобы увидеть, как они действуют сами по себе, а также как они взаимодействуют друг с другом», – сказал Лу Вэй, ведущий автор исследования и научный сотрудник лаборатории Мин. «В биологической среде есть множество компонентов, и мы должны иметь возможность видеть все одновременно, чтобы по-настоящему понять процессы."
Помимо флуоресцентной микроскопии, в настоящее время используются различные методы рамановской микроскопии для наблюдения за живыми клеточными и тканевыми структурами, которые работают, делая видимыми колебания, возникающие из характерных химических связей в структурах. Традиционная рамановская микроскопия дает четко определенные цвета, которых нет во флуоресцентной микроскопии, но отсутствует чувствительность.
По существу, он требует сильного концентрированного колебательного сигнала, который может быть достигнут только при наличии миллионов структур с одной и той же химической связью. Если сигнал от химических связей недостаточно сильный, визуализация связанной структуры практически невозможна.
Чтобы решить эту проблему, Мин и его команда, включая профессоров. Вирджиния Корниш в области химии и Рафаэль Юсте в области нейробиологии разработали новый гибрид существующих методов микроскопии.
Они разработали новую платформу под названием электронная предрезонансная микроскопия с вынужденным комбинационным рассеянием (epr-SRS), которая сочетает в себе лучшее из обоих миров, объединяя высокий уровень чувствительности и селективности. Инновационный метод позволяет с высокой точностью выявлять структуры со значительно более низкой концентрацией – вместо миллионов одинаковых структур, необходимых для определения присутствия этой структуры в традиционной рамановской микроскопии, новому прибору требуется всего 30 для идентификации.
В этом методе также используется новый набор молекул-меток, разработанный командой для синергетического взаимодействия с ультрасовременной технологией. Расширенная «цветовая палитра» молекул расширяет возможности маркировки, позволяя отображать до 24 структур одновременно, вместо того, чтобы ограничиваться только пятью флуоресцентными цветами. Исследователи считают, что в будущем есть потенциал для дальнейшего расширения.
Команда успешно протестировала платформу epr-SRS в тканях мозга. «Мы смогли увидеть, как разные клетки работают вместе», – сказал Вэй. "В этом сила большой цветовой палитры. Теперь мы можем одновременно освещать все эти различные структуры в ткани мозга. В будущем мы надеемся увидеть их работу в режиме реального времени.«Мозговая ткань – не единственное, для чего исследователи предполагают использовать этот метод, – добавила она. "У разных типов клеток разные функции, и ученые обычно изучают только один тип клеток за раз.
С большим количеством цветов мы теперь можем начать изучать несколько клеток одновременно, чтобы наблюдать, как они взаимодействуют и функционируют как по отдельности, так и вместе в здоровых условиях по сравнению с болезненными состояниями."
Мин сказал, что у новой платформы есть много потенциальных применений, добавив, что, возможно, однажды эту технику можно будет использовать для лечения опухолей, которые трудно уничтожить доступными лекарствами. «Если мы сможем увидеть, как структуры взаимодействуют в раковых клетках, мы сможем более точно определить способы воздействия на конкретные структуры», – сказал он. "Эта платформа может изменить правила игры в стремлении понять все, что имеет множество компонентов."