Ученые из Японии и Таиланда применили пикосекундный ультразвук для исследования единичных клеток на наноуровне. Метод визуализации позволяет получить пространственное разрешение в 150 нанометров, что дает ученым возможность делать виртуальные срезы клеток и тканей без их повреждения.
Работа, проведенная командой ученых, является подтверждением концепции для использования пикосекундного ультразвука, которая раньше применялась для исследования механических и термальных качеств металлов и полупроводников. Биологические ткани идеально подходят для такого вида исследования, поскольку они чувствительные к скорости звука, плотности и импедансу.
Ученые выбрали два типа биологических тканей: бычью эндотелиальную клетку аорты и адипоцит (жировая клетка) мыши. Решение использовать эти два вида клеток неслучайное, потому что эндотелиальные клетки играют ключевую роль в физиологии кровяных телец, а жировые клетки имеют другую геометрию и поэтому создают контраст.
Исследование проводилось путем размещения клетки в раствор на сапфирном субстрате с титановым покрытием, а затем сканирования точки образования высокочастотного звука, генерированного лучом сфокусированных ультразвуковых лазерных импульсов на титановую пленку. Следовательно, фокусируя другой луч лазерных импульсов на той же точке для фиксирования изменений в оптических отражениях, вызванных звуком, команда смогла собрать необходимые данные для конструирования изображения.
“Сканируя два луча одновременно, мы смогли создать акустическое изображение клетки, которое представляет один его срез, – объяснил соавтор профессор Оливер Б. Райт (отделение прикладной физики, факультет инженерии университета Хоккайдо). – Мы можем визуализировать отдельный срез клетки на определённой глубине путем изменения расчета времени между двумя лучами лазерных импульсов”.
Результаты работы показали, что 3D визуализация клетки и органелл возможна без повреждения самой клетки, но она все еще находится на раннем этапе разработки. На сегодняшний день, этот метод занимает слишком много времени, чтобы применяться в практике.
Хотя в данном эксперименте ученые не смогли дифференцировать содержание клетки, они уверены, что с усовершенствованием методики это станет возможным. Ученые уже имеют на примете несколько путей решения этих ограничений: использовать ультрафиолетовый импульсный лазер вместо инфракрасного, что лимитирует пространственное разрешение, а также использовать бриллиантовый субстрат, что значительно улучшит качество изображений и силу лазера, позволяя лучше проводить тепло от исследуемой области. Эти перестановки могут стать путем к in vivo визуализации, предоставляя возможность исследовать механические качества клеток и органелл. Этот метод также даст нам лучшее понимание процессов, таких как митоз, апоптоз, адгезия и подвижность.
“На сегодняшний день методы, с помощью которых осуществляется визуализация клеток, – это комбинация оптических и эластических параметров клетки, которые тяжело различить, – сказал Райт. – Но мы придумали как их можно отличить, что позволит нам измерять механические свойства клетки более точно. В ближайшем будущем мы испытаем этот метод, а также испробуем его на одноклеточных организмах или даже бактериях”.
22.06.2015