Исследователи из Делфтского технологического университета, Нидерландского института нейронауки и Калифорнийского технологического института разработали метод микроскопии на основе ультразвука, позволяющий выявлять капилляры и клетки в живых органах — раньше это было невозможно.
Исследование теперь опубликовано в журнале Science.
Ультразвук является одним из наиболее широко используемых методов визуализации в медицине, но до недавнего времени он практически не использовался для визуализации мельчайших структур нашего тела, таких как клетки.
«Клиническое УЗИ, подобное тому, которое используется для сканирования беременности, создает изображения частей тела в реальном времени», — объясняет первый автор Батист Хейлс. «Оно позволяет диагностировать различные заболевания или следить за развитием ребенка. Однако то, что происходит на микроскопическом уровне, остается скрытым».
Визуализация живых клеток в 3D
Теперь группе ученых удалось визуализировать специально помеченные клетки в 3D с помощью ультразвука. Впервые они визуализировали живые клетки внутри целых органов в объемах размером с кусочек сахара. Для сравнения, современные световые микроскопы часто требуют визуализации неживых образцов, говорит Хейлс.
«Образец или интересующий орган необходимо извлечь и обработать, и вы потеряете возможность отслеживать активность клеток с течением времени».
Современная ведущая технология для визуализации поведения живых клеток в 3D, например, во время развития эмбрионов, называется микроскопией светового листа. Этот метод ограничен полупрозрачными или тонкими образцами, поскольку свет не может проникать глубже 1 мм в непрозрачную ткань.
«Ультразвук может визуализировать непрозрачные ткани млекопитающих на глубине нескольких сантиметров, что позволяет проводить неинвазивную визуализацию целых органов. Это дает нам информацию о том, как клетки ведут себя в своей естественной среде, чего нельзя сделать с помощью световых методов в более крупных живых тканях», — говорит старший научный сотрудник Дэвид Мареска.
Маркировка капилляров и клеток с помощью звукоотражающих зондов
Ключом к этому новшеству в ультразвуковой визуализации — методу, называемому нелинейной звуковой микроскопией — стало открытие звукоотражающего зонда, созданного в лаборатории Шапиро в Калифорнийском технологическом институте.
Хейлс объясняет: «Этот зонд представляет собой заполненную газом наноразмерную везикулу, которая светится на ультразвуковых изображениях , делая клетки видимыми. Эти везикулы имеют белковую оболочку, и мы можем сконструировать их так, чтобы настраивать их яркость на изображениях. Мы использовали эти газовые везикулы для отслеживания раковых клеток ».
Визуализация мозга
Помимо выявления клеток, группа использовала ультразвук и микропузырьки в качестве зондов, циркулирующих в кровотоке, для обнаружения мозговых капилляров.
Хейлс отмечает: «Насколько нам известно, нелинейная звуковая листовая микроскопия — это первый метод, позволяющий наблюдать капилляры в живом мозге. Этот прорыв имеет огромный потенциал для диагностики заболеваний мелких сосудов у пациентов». Поскольку зонды с микропузырьками уже одобрены для использования у людей, этот метод может быть внедрен в больницах через несколько лет.
Потенциал для исследования рака
По словам Марески, помимо клинической практики , звуковая микроскопия может принести большую пользу биологическим исследованиям и, в частности, разработке новых методов лечения рака.
«Наша технология визуализации позволяет отличать здоровую ткань от раковой. Кроме того, она может визуализировать некротическое ядро опухоли; центр опухоли, где клетки начинают умирать из-за недостатка кислорода. Таким образом, она может помочь в мониторинге прогрессирования рака и реакции на лечение», — говорит он.
