Визуализация живых клеток — это изучение живых клеток с использованием покадровой микроскопии . Она используется учеными для лучшего понимания биологической функции посредством изучения клеточной динамики. [1] Визуализация живых клеток была впервые применена в первом десятилетии 21-го века. Один из первых микрокинематографических фильмов клеток с покадровой съемкой был сделан Юлиусом Райсом, показывающим оплодотворение и развитие яйца морского ежа. [2] С тех пор было разработано несколько методов микроскопии для более детального изучения живых клеток с меньшими усилиями. Был использован новый тип визуализации с использованием квантовых точек , поскольку они, как было показано, более стабильны. [3] Развитие голотомографической микроскопии проигнорировало фототоксичность и другие недостатки, связанные с окрашиванием, путем внедрения цифрового окрашивания на основе показателя преломления клеток. [4] [5]
Биологические системы существуют как сложное взаимодействие бесчисленных клеточных компонентов, взаимодействующих в четырех измерениях, чтобы создать явление, называемое жизнью. Хотя обычно живые организмы сводят к неживым образцам для размещения традиционных статических инструментов визуализации, чем дальше образец отклоняется от нативных условий, тем больше вероятность того, что рассматриваемые тонкие процессы будут демонстрировать возмущения. [6] Поэтому обременительная задача захвата истинной физиологической идентичности живой ткани требует визуализации с высоким разрешением как в пространстве, так и во времени внутри родительского организма. [7] Технологические достижения визуализации живых клеток, разработанные для предоставления пространственно-временных изображений субклеточных событий в реальном времени, играют важную роль в подтверждении биологической значимости физиологических изменений, наблюдаемых во время экспериментов. Из-за их непрерывной связи с физиологическими условиями анализы живых клеток считаются стандартом для исследования сложных и динамических клеточных событий. [8] Поскольку динамические процессы, такие как миграция , развитие клеток и внутриклеточный трафик , все больше становятся центром биологических исследований, методы, способные захватывать трехмерные данные в реальном времени для клеточных сетей ( in situ ) и целых организмов ( in vivo ), станут незаменимыми инструментами в понимании биологических систем. Общее признание визуализации живых клеток привело к быстрому расширению числа практикующих специалистов и установило необходимость в увеличении пространственного и временного разрешения без ущерба для здоровья клетки. [9]
До появления фазово-контрастного микроскопа было трудно наблюдать за живыми клетками. Поскольку живые клетки полупрозрачны, их необходимо окрашивать , чтобы их можно было увидеть в традиционном световом микроскопе . К сожалению, процесс окрашивания клеток обычно убивает их. С изобретением фазово-контрастной микроскопии стало возможным детально наблюдать неокрашенные живые клетки. После ее появления в 1940-х годах визуализация живых клеток быстро стала популярной с помощью фазово-контрастной микроскопии. [11] Фазово-контрастный микроскоп был популярен благодаря серии покадровых фильмов (см. видео), записанных с помощью фотопленочной камеры. [12] Его изобретатель Фриц Цернике был удостоен Нобелевской премии в 1953 году. [13] Другими более поздними методами фазово-контрастного наблюдения за неокрашенными клетками являются модуляция Хоффмана и дифференциально-интерференционная контрастная микроскопия.
Фазово-контрастная микроскопия не способна наблюдать определенные белки или другие органические химические соединения, которые образуют сложный механизм клетки. Поэтому были разработаны синтетические и органические флуоресцентные красители для маркировки таких соединений, что делает их наблюдаемыми с помощью флуоресцентной микроскопии (см. видео). [15] Однако флуоресцентные красители фототоксичны , инвазивны и обесцвечиваются при наблюдении. Это ограничивает их использование при наблюдении за живыми клетками в течение длительных периодов времени. Поэтому неинвазивные фазово-контрастные методы часто используются в качестве важного дополнения к флуоресцентной микроскопии в приложениях визуализации живых клеток. [16] [17] Однако методы флуоресцентной микроскопии с глубоким обучением помогают снизить световую нагрузку и фототоксичность и позволяют даже повторять живую визуализацию с высоким разрешением. [18]
В результате быстрого увеличения плотности пикселей цифровых датчиков изображения количественная фазово-контрастная микроскопия стала альтернативным методом микроскопии для визуализации живых клеток. [20] [21] Количественная фазово-контрастная микроскопия имеет преимущество перед флуоресцентной и фазово-контрастной микроскопией в том, что она является как неинвазивной, так и количественной по своей природе.
Из-за узкой фокусной глубины обычной микроскопии визуализация живых клеток в настоящее время в значительной степени ограничена наблюдением клеток в одной плоскости. Большинство реализаций количественной фазово-контрастной микроскопии позволяют создавать и фокусировать изображения в различных фокальных плоскостях с одной экспозиции. Это открывает будущую возможность трехмерной визуализации живых клеток с помощью флуоресцентных методов. [22] Количественная фазово-контрастная микроскопия с вращательным сканированием позволяет получать трехмерные покадровые изображения живых клеток с высоким разрешением. [23] [24] [4]
Голотомография (HT) — это лазерная технология для измерения трехмерной томограммы показателя преломления (RI) микроскопического образца, такого как биологические клетки и ткани. Поскольку RI может служить внутренним контрастом изображения для прозрачных или фазовых объектов, измерения томограмм RI могут обеспечить количественную визуализацию микроскопических фазовых объектов без меток. Для измерения 3D RI томограммы образцов HT использует принцип голографической визуализации и обратного рассеяния . Обычно несколько 2D голографических изображений образца измеряются под различными углами освещения, используя принцип интерферометрической визуализации. Затем 3D RI томограмма образца реконструируется из этих нескольких 2D голографических изображений путем обратного решения рассеяния света в образце.
Принцип HT очень похож на рентгеновскую компьютерную томографию (КТ) или КТ-сканирование . КТ-сканирование измеряет несколько 2D рентгеновских изображений человеческого тела под разными углами освещения, а затем 3D томограмму (поглощаемость рентгеновских лучей) получают с помощью теории обратного рассеяния. И рентгеновская КТ, и лазерная HT используют одно и то же управляющее уравнение — уравнение Гельмгольца , волновое уравнение для монохроматической длины волны. HT также известна как оптическая дифракционная томография.
Сочетание голографии и ротационного сканирования позволяет осуществлять длительную, безмаркировочную запись живых клеток.
Неинвазивная оптическая наноскопия может достичь такого латерального разрешения, используя квази- 2π -голографическую схему обнаружения и сложную деконволюцию. Пространственные частоты отображаемой клетки не имеют никакого смысла для человеческого глаза. Но эти рассеянные частоты преобразуются в голограмму и синтезируют полосу пропускания, которая имеет разрешение вдвое больше, чем обычно доступное. Голограммы записываются с разных направлений освещения на плоскости образца и наблюдают субволновые томографические изменения образца. Наномасштабные апертуры служат для калибровки томографической реконструкции и характеризации системы визуализации с помощью когерентной передаточной функции. Это приводит к реалистичной обратной фильтрации и гарантирует истинную комплексную реконструкцию поля. [24]
В заключение следует отметить, что для трехмерной голотомографической микроскопии существуют два термина: (i) оптическое разрешение (реальное) и (ii) разрешение выборки (то, что отображается на экране).
Визуализация живых клеток представляет собой осторожный компромисс между получением изображения с наивысшим разрешением и сохранением клеток живыми как можно дольше. [25] В результате этого специалисты по микроскопии живых клеток сталкиваются с уникальным набором проблем, которые часто упускаются из виду при работе с фиксированными образцами. Более того, визуализация живых клеток часто использует специальные характеристики оптической системы и детектора. Например, в идеале микроскопы, используемые для визуализации живых клеток, должны иметь высокое отношение сигнал/шум , высокую скорость получения изображений для захвата покадрового видео внеклеточных событий и поддержания долгосрочной жизнеспособности клеток. [26] Однако оптимизация даже одного аспекта получения изображений может быть ресурсоемкой и должна рассматриваться в каждом конкретном случае.
В случаях, когда для работы с образцом требуется дополнительное пространство между объективом и образцом, можно использовать сухую линзу, что потенциально требует дополнительных регулировок корректирующего кольца, которое изменяет положение линзы в объективе, чтобы учесть различия в камерах визуализации. Специальные объективы разработаны с корректирующими кольцами, которые корректируют сферические аберрации , учитывая толщину покровного стекла. В сухих объективах с высокой числовой апертурой (NA) кольцо регулировки корректирующего кольца изменяет положение подвижной группы линз, чтобы учесть различия в том, как внешняя часть линзы фокусирует свет относительно центра. Хотя аберрации линз присущи всем конструкциям линз, они становятся более проблематичными в сухих линзах, где сохранение разрешения является ключевым фактором. [27]
Масляная иммерсия — это метод, который может повысить разрешение изображения путем погружения линзы и образца в масло с высоким показателем преломления . Поскольку свет преломляется при прохождении между средами с разными показателями преломления, помещая масло с таким же показателем преломления, как у стекла, между линзой и предметным стеклом, можно избежать двух переходов между показателями преломления. [28] Однако для большинства приложений рекомендуется использовать масляную иммерсию с фиксированными (мертвыми) образцами, поскольку живым клеткам требуется водная среда, а смешивание масла и воды может вызвать серьезные сферические аберрации. Для некоторых приложений можно использовать силиконовое масло для получения более точных реконструкций изображений. Силиконовое масло является привлекательной средой, поскольку его показатель преломления близок к показателю преломления живых клеток, что позволяет получать изображения с высоким разрешением, минимизируя сферические аберрации. [27]
Для визуализации живых клеток требуется образец в водной среде, которая часто находится на расстоянии от 50 до 200 микрометров от покровного стекла. Поэтому иммерсионные линзы могут помочь достичь более высокой разрешающей способности из-за того, что и среда, и сами клетки будут близки к показателю преломления воды. Иммерсионные линзы разработаны так, чтобы быть совместимыми с показателем преломления воды, и обычно имеют корректирующий воротник, который позволяет регулировать объектив. Кроме того, из-за более высокого показателя преломления воды иммерсионные линзы имеют высокую числовую апертуру и могут создавать изображения, превосходящие иммерсионные линзы с маслом при разрешении плоскостей глубже 0 мкм. [27]
Другим решением для визуализации живых клеток является погружная линза. Эти линзы являются подмножеством иммерсионных линз, которым не требуется покровное стекло , и которые можно погружать непосредственно в водную среду образца. Одним из главных преимуществ погружной линзы является то, что она имеет большое эффективное рабочее расстояние. [29] Поскольку покровное стекло не требуется, этот тип линзы может приближаться к поверхности образца, и в результате разрешение ограничивается ограничениями, налагаемыми сферической аберрацией, а не физическими ограничениями покровного стекла. Хотя погружные линзы могут быть очень полезны, они не идеальны для всех экспериментов, поскольку процесс «погружения» линзы может нарушить клетки в образце. Кроме того, поскольку инкубационная камера должна быть открыта для линзы, изменения в среде образца из-за испарения должны тщательно контролироваться. [27]
Сегодня большинство методов визуализации в реальном времени полагаются либо на режимы высокой освещенности, либо на флуоресцентную маркировку, что вызывает фототоксичность и ставит под угрозу способность сохранять клетки нетронутыми и живыми в течение долгого времени. Поскольку наши знания в области биологии основаны на наблюдении, крайне важно минимизировать возмущения, вызванные методом визуализации.
Рост конфокальной микроскопии тесно связан с доступностью высокомощных лазеров, которые способны достигать высокой интенсивности светового возбуждения. Однако высокая выходная мощность может повредить чувствительные флуорофоры , поэтому лазеры обычно работают значительно ниже своей полной выходной мощности. [30] Чрезмерное воздействие света может привести к фотоповреждению из-за фотообесцвечивания или фототоксичности . Эффект фотообесцвечивания может значительно снизить качество флуоресцентных изображений, и в последние годы наблюдается значительный спрос на более долговечные коммерческие флуорофоры. Одно из решений, серия Alexa Fluor , показывает незначительное или полное отсутствие выцветания даже при высокой интенсивности лазера. [31]
В физиологических условиях многие клетки и типы тканей подвергаются воздействию только низких уровней света. [32] В результате важно свести к минимуму воздействие на живые клетки высоких доз ультрафиолетового (УФ), инфракрасного (ИК) или возбуждающего флуоресценцию света с длинами волн, которые могут повредить ДНК , повысить температуру клеток и вызвать фотообесцвечивание соответственно. [33] Высокоэнергетические фотоны, поглощаемые флуорофорами и образцом, испускаются на более длинных волнах, пропорциональных сдвигу Стокса . [34] Однако клеточные органеллы могут быть повреждены, когда энергия фотонов производит химические и молекулярные изменения, а не повторно испускается. [35] Считается, что основным виновником светоиндуцированной токсичности, испытываемой живыми клетками, являются свободные радикалы, образующиеся при возбуждении флуоресцентных молекул. [32] Эти свободные радикалы обладают высокой реакционной способностью и вызывают разрушение клеточных компонентов, что может привести к нефизиологическому поведению.
Одним из методов минимизации фотоповреждения является снижение концентрации кислорода в образце, чтобы избежать образования активных форм кислорода . [36] Однако этот метод не всегда возможен при визуализации живых клеток и может потребовать дополнительного вмешательства. Другим методом снижения воздействия свободных радикалов в образце является использование реагентов, препятствующих выцветанию. К сожалению, большинство коммерческих реагентов, препятствующих выцветанию, не могут использоваться при визуализации живых клеток из-за их токсичности. [37] Вместо этого можно использовать натуральные поглотители свободных радикалов, такие как витамин С или витамин Е, без существенного изменения физиологического поведения в более коротких временных масштабах. [38] Недавно была разработана и коммерциализирована визуализация живых клеток без фототоксичности. Голотомографическая микроскопия позволяет избежать фототоксичности благодаря маломощному лазеру (класс лазера 1: 0,2 мВт/мм 2 ). [4] [5] [39]