Визуализация клеточных структур в 3D за считанные минуты

Вирусные патогены, такие как коронавирус SARS-CoV-2, изменяют внутреннюю структуру зараженных клеток. Эти изменения происходят на уровне отдельных клеточных компонентов — органелл — и могут дать информацию о развитии вирусных заболеваний. Для их визуализации нужны мощные методы визуализации, но они требуют много данных и времени. Немецко-американская группа под руководством д-ра Венеры Вайнхардт из Центра изучения организмов Гейдельбергского университета оптимизировала специальный рентгеновский метод — мягкую рентгеновскую томографию (SXT) — для получения высокодетальных 3D-изображений целых клеток и их молекулярной структуры всего за несколько минут.

«Сканирующие электронные микроскопы дают сверхчеткие изображения в наномасштабе, но на сканирование одной клетки уходит около недели, и генерируются огромные массивы данных для анализа», — поясняет Венера Вайнхардт. «С помощью мягкой рентгеновской томографии мы получаем пригодные результаты за 5–10 минут». Высокая пропускная способность крайне важна для изучения множества клеток, особенно в тканях, где заражены лишь некоторые клетки, несущие информацию об изменениях из-за инфекции.

Метод SXT уже успешно использовали для обнаружения отдельных вирусных частиц (вирионов) и связанных с ними изменений в клетках. Теперь исследователи применили его для изучения культур клеток, инфицированных SARS-CoV-2, из тканей легкого и почки. Мягкое рентгеновское излучение позволило получить 3D-изображения целых клеток и их структуры за 5–10 минут. Ученые смогли обнаружить скопления частиц SARS-CoV-2 на поверхности клеток и выявить связанные с вирусом изменения внутри клеток, в том числе структуры, возможно, отвечающие за репликацию и распространение вируса.

Ключом к успеху стал переход от плоских решетчатых держателей образцов к цилиндрическим стеклянным капиллярам с тонкими стенками. Это позволяет вращать образцы на полные 360° и сканировать со всех углов, избегая «слепых» зон и размытия. Сейчас команда работает над дальнейшим совершенствованием подготовки образцов, автоматизацией анализа 3D-данных и созданием лабораторной версии микроскопа для мягкой рентгеновской томографии.

Результаты исследования опубликованы в журнале Cell Reports Methods.