Новая техника раскрывает внутреннюю жизнь красных кровяных клеток

Впервые исследователи из MIT могут видеть каждое колебание клеточной мембраны, используя технику, которая в будущем позволит ученым создавать трехмерные изображения внутренней работы живых клеток.

Изучение динамики клеточных мембран может помочь ученым понять такие заболевания, как серповидноклеточная анемия, малярия и рак. Используя технику, известную как количественная фазово-контрастная микроскопия (quantitative phase imaging), исследователи из George R. Harrison Spectroscopy Laboratory MIT могут видеть колебания клеточной мембраны величиной всего в несколько десятков нанометров.

Но динамика мембран — это только начало. Вскоре исследователи надеются расширить свой взгляд за пределы мембраны внутрь клетки, чтобы создавать изображения того, что происходит внутри живых клеток, включая то, как клетки общаются друг с другом и что заставляет их становиться раковыми.

"Одна из наших целей — создавать 3D томографические изображения внутренней структуры клетки. Прелесть в том, что с этой техникой вы можете изучать динамические процессы в живых клетках в реальном времени", — сказал Майкл Фельд, профессор физики MIT и директор Spectroscopy Lab.

Барабаны в постоянной вибрации

Пока команда сосредоточила внимание в основном на красных кровяных тельцах (эритроцитах) и нейронах. Эритроциты — особенно хорошая модель для изучения динамики мембран, потому что это относительно простые клетки без ядра или внутренних клеточных структур, говорит Габриэль Попеску, постдокторант в Spectroscopy Lab.

В работе, которая скоро будет опубликована в Physical Review Letters, исследователи MIT показывают, что частота колебаний клеточной мембраны связана с её эластичностью. Эластичность важна для эритроцитов, потому что они должны иметь возможность сжиматься, проходя через крошечные капилляры в мозге и других местах, доставляя кислород.

"Эластичность этих клеток имеет решающее значение для их функции", — сказал Попеску.

Известно уже более века, что мембраны эритроцитов непрерывно колеблются, или, как выражается Попеску, эритроцит — это "по сути барабан в постоянной вибрации". Это колебание дает возможность изучать механические свойства мембраны, включая то, как мембрана обеспечивает клетке и мягкость, и эластичность, необходимые для прохождения через узкие капилляры.

Аномалии эритроцитов, такие как деформация при серповидноклеточной анемии, также влияют на динамику мембраны. Исследователи сейчас изучают, как серповидноклеточная анемия и малярийная инфекция влияют на механические свойства мембран эритроцитов.

Другая группа в Spectroscopy Lab изучает распространение сигналов в нейронах. Этот проект, являющийся сотрудничеством с Себастьяном Сеном, профессором наук о мозге и когнитивных наук, и возглавляемый Крисом Фанг-Йеном, постдокторантом в Spectroscopy Laboratory, основан на том факте, что мембраны претерпевают крошечные механические деформации, когда потенциал действия (электрический ток) проходит по аксону нейрона.

Корреляция между вибрацией мембраны и электрической активностью может "дать нам представление о том, как сети организованы на уровне нейронов", сказал Фанг-Йен. Они особенно заинтересованы в изучении нейронных сетей в гиппокампе, области мозга, связанной с памятью.

Техника и разрешение

Количественная фазово-контрастная микроскопия основана на оптическом явлении, известном как интерферометрия. С помощью этого метода световая волна, проходящая через клетку, сравнивается с референтной волной, которая не проходит через образец. Комбинация этих двух волн создает интерференционную картину, которая дает нанометровые изображения отдельных клеток.

Основная проблема интерферометрии — высокая чувствительность аппаратуры. Даже дыхание рядом с интерферометром может нарушить систему. Попеску отмечает, что в типичной лабораторной среде попытка измерить такие крошечные оптические сигналы — "все равно что пытаться почувствовать волны медузы в бушующем океане".

Один из способов преодолеть это — разместить систему в изолированной среде. Другая техника, известная как подход "общего пути" ("common path"), размещает оба плеча интерферометра (по которым распространяются световые волны) в непосредственной близости, так что шум в сигналах взаимно компенсируется.

После многих лет тонкой настройки исследователи MIT теперь могут создавать изображения с разрешением 0.2 нанометра. (Диаметр эритроцита составляет около 8 микрон, или 8000 нанометров.)

Количественная фазово-контрастная микроскопия еще не достигла уровня разрешения, который предлагает электронная микроскопия, но Фельд считает, что когда-нибудь достигнет.

Источник: MIT