MIT раскрывает внутреннюю жизнь красных кровяных клеток

Исследователи из MIT впервые смогли увидеть каждое колебание клеточной мембраны с помощью метода, который в будущем позволит создавать трёхмерные изображения внутренних процессов живых клеток.

Изучение динамики клеточных мембран может дать учёным ключ к пониманию таких заболеваний, как серповидноклеточная анемия, малярия и рак. Используя метод количественной фазовой визуализации, исследователи из Спектроскопической лаборатории Джорджа Р. Харрисона в MIT могут наблюдать колебания мембраны величиной всего в несколько десятков нанометров.

Но динамика мембраны — это только начало. Вскоре учёные надеются расширить обзор внутрь клетки, чтобы получать изображения происходящего в живых клетках, включая их взаимодействие и причины озлокачествления.

"Одна из наших целей — создание 3D-томографических изображений внутренней структуры клетки. Прелесть в том, что с помощью этой техники можно изучать динамические процессы в живых клетках в реальном времени", — сказал Майкл Фельд, профессор физики MIT и директор лаборатории.

Преимущества перед электронной микроскопией

Электронная микроскопия даёт большее увеличение, но применима только к обезвоженным, замороженным или обработанным клеткам. Количественная фазовая визуализация позволяет наблюдать живые клетки сколь угодно долго. После многолетней доработки разрешение метода достигло 0.2 нанометра (диаметр эритроцита — около 8 микрон или 8000 нанометров).

Фокус на эритроцитах и нейронах

Пока команда сосредоточена на красных кровяных клетках (эритроцитах) и нейронах. Эритроциты — удобная модель из-за отсутствия ядра и внутренних структур.

В готовящейся публикации в Physical Review Letters исследователи показывают, что частота колебаний мембраны связана с её эластичностью. Эластичность критически важна для эритроцитов, чтобы они могли проходить через мельчайшие капилляры.

"Эластичность этих клеток имеет решающее значение для их функции", — говорит Габриэль Попеску, постдок лаборатории.

Мембрана эритроцита постоянно колеблется, что позволяет изучать её механические свойства. Исследователи сейчас изучают, как серповидноклеточная анемия и малярийная инфекция влияют на механические свойства мембран эритроцитов.

Другая группа в лаборатории изучает распространение сигналов в нейронах. Мембраны нейронов испытывают крошечные механические деформации при прохождении потенциала действия. Корреляция между колебаниями мембраны и электрической активностью может пролить свет на организацию нейронных сетей, особенно в гиппокампе — области мозга, связанной с памятью.

Принцип метода

Количественная фазовая визуализация основана на явлении интерферометрии. Световая волна, прошедшая через клетку, сравнивается с референсной волной. Их комбинация создаёт интерференционную картину, дающую нанометровые изображения отдельных клеток.

Основная проблема — высокая чувствительность аппаратуры. Даже дыхание рядом с интерферометром может нарушить работу. Решением является размещение системы в изолированной среде или использование подхода "общего пути", когда оба плеча интерферометра расположены близко, и шумы в сигналах взаимно компенсируются.

Хотя разрешение метода пока не достигло уровня электронной микроскопии, Фельд уверен, что это произойдёт в будущем.