Это то, что происходит в рентгенофлуоресцентной микроскопии, когда биологические образцы подвергаются воздействию ионизирующего излучения, что обеспечивает получение изображений с уровнем детализации, с которым обычные микроскопы просто не могут сравниться. Это воздействие может существенно изменить то, что отображается, возможно, давая ложные сведения о том, как на самом деле работает клетка.
Чтобы решить эту проблему, исследователи из U.S. Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики (DOE) создала новый зонд, который замораживает клетки, чтобы «видеть» более детально, не повреждая образец.
Вопрос сводится к подготовке.
Традиционные рентгеновские методы рассматривают клетки, которые либо были погружены в воду, либо обезвожены, как еда космонавтов. Для влажных образцов при комнатной температуре излучение может разорвать связи, связывающие молекулы, и вызвать их рассеяние, изменяя структуру образца.
В случае обезвоженных образцов калий и другие диффундирующие ионы вымываются во время химической фиксации, что убивает клетку и ослабляет клеточную мембрану, позволяя ионам улетучиваться. Более того, когда образец обезвоживается, ячейка может сжиматься, деформироваться или даже разрушаться.
"Представьте себе мяч. Когда вы его сушите, он становится плоским », – говорит Си Чен, главный автор исследования. «Это изменяет структуру образца, а также распределение микроэлементов, которые мы ищем."
Чтобы решить эту проблему, аргоннские исследователи разработали нанозонд с жесткой рентгеновской флуоресценцией, названный Bionanoprobe, который делает трехмерные изображения, которые отображают расположение микроэлементов, таких как железо или калий, в замороженных биологических образцах.
«Мы не хотим сушить образец; мы хотим, чтобы он оставался гидратированным», – говорит Чен. «Мы погружаем образец в жидкий этан на очень высоких скоростях, а затем смотрим прямо на замороженный образец."
Быстрое охлаждение биологических образцов до температуры -260 ° F сохраняет естественное состояние органелл и микроэлементов клетки, сохраняя при этом воду в образце.
Размещенный на ондуляторном канале в секторе 21 усовершенствованного источника фотонов в Аргонне, Bionanoprobe имеет вакуумную камеру, которая устраняет обледенение и конвективный нагрев и автоматически получает наборы томографических данных (сечения изображений).
Сектор 21 спонсируется консорциумом нескольких университетов и исследовательским институтом, вместе известным как Группа совместных действий в области наук о жизни.
Бионанозонд также может создавать изображения с чрезвычайно высоким разрешением в самых маленьких масштабах – менее 100 нанометров. Сравните это с типичным человеческим волосом, ширина которого составляет от 80 000 до 100 000 нанометров.
Чен использует рентгеновскую оптику, называемую зонными пластинами, чтобы сфокусировать рентгеновский луч в крошечное маленькое пятно. Простое сканирование дает изображение с полным флуоресцентным спектром на каждом этапе сканирования.
Недавние тесты обнадеживают. Одна группа исследователей успешно получила изображения дифференциального фазового контраста и рентгенофлуоресценции одновременно с помощью растрового сканирования зеленых водорослей.
Первые дали исследователям часть ультраструктуры водорослей, а с помощью последнего они смогли показать равномерно распределенный калий и узорчатое распределение цинка и железа.
«Мы можем видеть распределение микроэлементов, но с биологическими образцами контраст от структуры обычно очень низкий», – говорит Чен. «Фазово-контрастное изображение подчеркивает структурные детали."
Другое исследование сделало рентгеновские флуоресцентные изображения бессмертной клеточной линии рака шейки матки, называемой клетками HeLa. Образцы подвергали глубокой заморозке, химически фиксировали, а затем обрабатывали ядром из оксида железа в нанокомпозите с оболочкой из диоксида титана, что позволило исследователям определить, действительно ли нанокомпозиты попали в ядро клетки.
Доктор. Гейл Волощак, профессор Медицинской школы Файнберга Северо-Западного университета, провел исследование. Она создала наночастицы, которые нацелены на раковые клетки и убивают их, но когда исследователи захотели увидеть, где на самом деле наночастицы оказались в клетке, они столкнулись с проблемами при использовании традиционных рентгеновских методов.
«Это проблема», – говорит Волощак. "Если вы подумаете о том, как работает двухмерная рентгеновская визуализация, рентгеновские лучи проникают через всю клетку, поэтому трудно определить, находятся ли наночастицы выше, ниже или внутри ядра. Что делает Бионанозонд, так это дает нам трехмерное изображение – мы действительно могли видеть, что наночастицы были встроены в ядро."
Об этой работе сообщается в "Бионанозонд: жесткий рентгеновский флуоресцентный нанозонд с криогенными возможностями", опубликованном в прошлом месяце в Журнале синхротронного излучения.