Мультифокальная металинза рассмотрела органоид мозга целиком

Органоиды — «мини-версии» человеческих органов, выращенные из стволовых клеток, позволяют ученым моделировать процессы, которые происходят при заболеваниях или воздействии лекарства. По сравнению с клетками, растущими плоским слоем на дне чашки Петри, трехмерная структура дает клеткам расти и взаимодействовать в условиях, более близких к условиям живой ткани. Между клетками формируется внеклеточный матрикс — сложная сеть из полисахаридов и белков. Он не только заселяет каждую клетку в определенную квартиру, но и предоставляет системы жизнеобеспечения, от канализации до своеобразного интернета. Увы, при этом рассматривать в микроскоп трехмерные структуры сложнее, потому что расположенные дальше от объектива части объекта «выпадают» из фокуса.

Традиционный метод — нарезать органоид на тонкие ломтики, окрасить их, а затем обработать изображения — долгий, трудоемкий и, естественно, разрушает объект наблюдения. Недеструктивная альтернатива такому подходу — фотоакустическая микроскопия. На образец воздействуют кратковременным, но мощным лазерным лучом, и в тканях, которые деформируются под его действием, возникают ультразвуковые колебания. Темные фрагменты поглощают излучение эффективнее, чем светлые, поэтому их колебания сильнее. Регистрируя исходящие ультразвуковые волны, можно получить картину распределения темных и светлых участков образца, не повреждая при этом сам органоид. У метода, однако, есть другая проблема — глубины изображения: чтобы получить трехмерную картинку, необходимо послойное сканирование, которое занимает много времени. Можно исследовать весь объем образца за один заход, но для этого нужна сложная, дорогая и громоздкая оптическая система, с помощью которой лазерное излучение распределяется по всему объему образца. 

Ученые из МФТИ и Южной Кореи нашли способ заменить ее с помощью металинзы — массива (метаповерхности) вертикально ориентированных столбиков, размеры которых сопоставимы с длиной волны света. Эти цилиндрические столбики имеют фиксированную высоту, но разные диаметры и расположены с периодичностью, фиксированной размером элементарной ячейки каждого элемента массива. Приставка мета- в этом случае означает, что линза сделана на основе метаматериалов: композитов, которые, благодаря своей микроструктуре, проявляют свойства, не встречающиеся в природе. Например, они могут обладать отрицательным показателем преломления. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Теоретическое обоснование существования таких материалов предложил советский ученый Виктор Веселаго еще в 1968 году, а в начале двухтысячных появились первые реальные образцы. В свою очередь, метаповерхности — двумерные сверхтонкие эквиваленты метаматериала, обладающие уникальными свойствами для контроля над распространением света.

«Каждый элемент массива определенным образом меняет траекторию и фазу излучения, проходящего через металинзу, — прокомментировал Александр Барулин, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ, — в результате получается луч, способный сфокусироваться в области шириной порядка двух микрометров и «глубиной» до полумиллиметра. Это в 13,5 раза больше, чем глубина изображения системы из оптических линз, а значит, нам не нужно получать длинную последовательность изображений на разных глубинах биообъекта — всю информацию мы получим за один раз. Кроме того, металинза очень компактна, ведь ее толщина составляет менее микрометра. Это имеет значение, если мы, например, хотим рассматривать создание переносных оптических систем для проведения подобных анализов вне лаборатории».

Чтобы создать металинзу, исследователи сперва рассчитали форму и расположение каждого столбика, а затем с помощью электронно-лучевой литографии выжгли в силиконе ряд углублений, получив таким образом форму для отливок. Потом форму заполнили полимерной смолой с частицами оксида титана и дождались застывания. 

Далее готовую металинзу сравнили с системой из обычных и асферических линз. Фотоакустические изображения трехмерных объектов — наклонного углеродного волокна и фрагмента листа из углеродных волокон, полученные с помощью металинзы, отличались возможностью увидеть детали в более широком диапазоне сканирования.

В этой работе ученые показали, что распределения нейромеланина в живых органоидах переднего и среднего человеческого мозга, рассчитанные по снимкам с использованием металинзы, соответветствуют полученным традиционно, с помощью гистологии.

При этом за одно сканирование возможно получить объемное изображение нейромеланина в цельных органоидах. Более того, новый метод позволяет наблюдать изменения, происходящие в живых клетках, день за днем. 

«Потенциал нашего метода не ограничивается исследованием органоидов мозга и детектированием нейромеланина, — заключил Александр Барулин,— можно «увидеть» и другие вещества или биообъекты, поглощающие на длинах волн лазерного излучения, причем эти длины можно менять в пределах диапазона видимого света, это не влияет на способность металинзы создавать удлиненный фокус. Таким образом, наши результаты открывают путь для создания быстрых и портативных систем для усовершенствованных диагностических инструментов и платформ скрининга эффективности лекарственных средств на основе фотоакустической микроскопии».

ФизТех

582 статей

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram