Новая система оптического микроскопа, называемая функциональной оптической микроскопией на основе стимуляции и визуализации (SIFOM), может стимулировать несколько клеток одновременно с помощью голографического метода и контролировать активность клеток после стимуляции с помощью трехмерных измерений на основе флуоресцентной голографии. Эта система имеет потенциальные приложения в качестве инструмента для восстановления утраченных нервных путей, создания искусственных нейронных сетей и развития пищевых ресурсов. Концепция SIFOM и технико-экономическое обоснование были опубликованы 1 ноября в Optics Letters.
Существует много оптических методов, включая фазово-контрастную микроскопию , флуоресцентную микроскопию, многофотонную микроскопию и сверхразрешенную флуоресцентную микроскопию. Недавние прорывы в технологии оптики позволили ученым визуализировать сверхтонкую структуру клеток и их функции in vitro и in vivo. Исследователи теперь могут использовать свет для манипулирования клеточной активностью, метод, называемый оптогенетикой, с использованием канальородопсина или других родственных белков (см. Рисунок 1). Однако существующая оптическая стимуляция на основе оптогенетики, используемая для манипулирования клеточной активностью, является слишком простой, с использованием равномерного воздействия светодиодами или через оптические волокна, поэтому возможен только низкий уровень манипулирования клетками.
Это исследование предлагает новую систему оптического микроскопа под названием SIFOM (рисунок 2). SIFOM состоит из двух подфункций: трехмерное наблюдение за клетками и трехмерная стимуляция клеток на основе цифровой голографии. Это первый микроскоп, оснащенный технологией, которая может одновременно выполнять трехмерное наблюдение и стимуляцию, и он имеет потенциальное применение в качестве новаторского инструмента в науках о жизни. Используя высокоскоростную фотографию без сканирования, эта технология позволяет нам получать информацию о множественных событиях, происходящих в трехмерном пространстве, за очень короткий промежуток времени.
В качестве проверочного эксперимента команда использовала клетки рака легких и флуоресцентные шарики размером около 10 микрометров. Они записали флуоресцентную голограмму в расфокусированном состоянии из фокального положения в направлении глубины и добились реконструкции как клеток, так и флуоресцентных шариков (фиг.3).
Во время проверочного эксперимента им удалось наблюдать световую стимуляцию максимум для пяти клеток одновременно. Максимальное количество стимулируемых клеток определяется главным образом потому, что для стимуляции недостаточно силы света. В двумерном (двумерном) пространстве ожидается, что одновременная световая стимуляция возможна для более чем 100 клеток, и в будущем команда стремится расширить глубину стимуляции до нескольких сотен микрометров с помощью двухфотонной стимуляции.
Для наблюдения за живыми клетками существует предел мощности флуоресценции, чтобы избежать повреждения клеток, поэтому необходимы высокочувствительные измерения. Команда стремится преодолеть эти проблемы и подготовить новую систему оптической микроскопии для практического использования. Профессор Матоба комментирует: «У нас есть исследовательский грант от гранта JST CREST JPMJCR1755, Япония, для изготовления SIFOM и последующего его применения для дальнейшего развития нейробиологии. Мы будем сотрудничать с компаниями, чтобы представить новый оптический микроскоп на коммерческом рынке».
