Новый метод микроскопии позволить изучить ранее незаметные особенности клетки
Несмотря на высокий уровень и диапазон современных микроскопических методов исследования, множество важных биологических явлений все еще не удается изучить даже при помощи самых чувствительных приборов. Потребность в усовершенствованных методах визуализации при проведении фундаментальных исследованиях и в биомедицине при изучении болезней, остается острой. Нонгджан Тао со своими коллегами из Института Биодизайна при Аризонском государственном университете внедрил новую технологию, способную с беспрецедентной четкостью проникнуть внутрь единственной клетки и даже внутриклеточных процессов.
Данный метод, известный как микроскопия электрохимического импеданса (МЭИ), может использоваться для рассмотрения незаметных, но чрезвычайно важных особенностей при проведении фундаментальных и прикладных исследований, включая неспецифическую адгезию клеток, некроз клеток (или апоптоз) и электропорацию — метод, который применяют при введении ДНК или лекарственных препаратов в клетку.
Ожидается, что этот метод позволит осуществить новые важные исследования, совершенствуя процесс поиска новых лекарств для лечения таких болезней, как рак, способствуя рассмотрению взаимодействия между патогенными микроорганизмами и клетками — хозяевами, и повышая качество анализа дифференцирования стволовых клеток.
Как объясняет Тао, данный метод основывается на преимуществах мощной современной технологии под названием спектроскопия электрохимического импеданса (СЭИ). В ней напряжение переменного тока распространяется на электрод, и фиксируются изменения электрического сопротивления. Импеданс определяется как сопротивление переменному току и продвигает идею электрического сопротивления цепи переменного тока.
В дополнение к возможности наблюдения за ДНК, белками, вирусами и бактериями, СЭИ способна визуализировать другие еле заметные явления, происходящие на поверхности электрода, включая соединение молекул. Различные вариации метода СЭИ использовались при исследованиях клеточных процессов, в том числе распластывании, неспецифической адгезии, инвазии, токсикологии и подвижности клеток.
Дополнительное преимущество данной технологии состоит в том, что, в отличие от флуоресцентных изображений, СЭИ — это так называемая безмаркерная технология, непроникающая в изучаемый образец. Не требуется никаких флуоресцентных маркировочных частиц или красок, которые часто мешают нормальному функционированию клеток.
Однако, у СЭИ есть свой недостаток — она не может обеспечить хорошее пространственное разрешение. Как объясняет Тао, — «Наша технология обеспечивает высокое пространственное разрешение, позволяя визуализировать и изучать единственную клетку и внутриклеточные процессы, а также обнаруживать и анализировать биомолекулы в микропанели с высокой плотностью размещения».
Для получения хорошего пространственного разрешения с обычной СЭИ необходимо использование либо блока электродов, контролирующих изучаемую поверхность, либо единственного электрода, механически анализирующего поверхность. Обе эти техники имеют серьезные ограничения, которые делают их непрактичными. Tao со своими коллегами применил иной подход, комбинируя СЭИ с другой надежной технологией визуализации, основанной на поверхностном плазменном резонансе.
Поверхностный плазменный резонанс (ППР) или визуализация с помощью ППР представляет собой процесс оптической регистрации. При соответствующих условиях, поляризованный свет, направленный на тонкий слой золота, заставляет свободные электроны поглощать частицы падающего света, преобразуя их в поверхностные плазменные колебания, которые проходят через поверхность золотого слоя, как волна по воде. Отклонение этой волны целевыми молекулами вызывают изменения отражательных свойств падающего света. Эти изменения могут быть зарегистрированы и переведены в изображение.
При использовании ППР, можно изучать одновременно происходящие явления на всей поверхности биочипа в режиме реального времени, не прибегая к помощи блока электродов. Данная техника под названием микроскопия электрохимического импеданса (МЭИ), разработанная Tao, отличается от обычной СЭИ тем, что она не регистрирует поток, а скорее, использует плазменный резонанс для оптического обнаружения изменений сопротивления, значительно повышая пространственное разрешение наблюдаемых особенностей. В дополнение к получению изображений МЭИ, новая техника одновременно производит ППР и оптические изображения, которые обеспечивают дополнительную ценную информацию.
МЭИ позволяет исследовать биологические явления со сверхвысоким пространственным разрешением. В ходе текущего исследования наблюдались два клеточных процесса: апоптоз и электропорация. Для рассмотрения этих явлений необходимо не только хорошее пространственное разрешение, но и возможность следить за быстроразвивающимися процессами в режиме реального времени — что и обеспечивает метод МЭИ, посредством использования специализированной видео камеры для регистрации быстро-происходящих процессов в клетках.
Апоптоз или некроз клеток является чрезвычайно важным аспектом в исследовании. Это — центральный элемент в гомеостазе и развитии ткани/органа. Понимание клеточных механизмов апоптоза также важно при исследовании рака, и разработке методов лечения рака, в ходе которых часто предпринимаются попытки вызвать апоптоз в злокачественных клетках.
Tao и его группа спровоцировала некроз клеток в цервикальных раковых клетках посредством применения двух молекул: MG132 и TRAIL — лиганд, вызывающий апоптоз. С помощью визуализации МЭИ была получена подробная информация последовательных стадий апоптоза, включая уменьшение размера клетки, конденсацию, фрагментацию клеточного ядра и окончательное разрушение клетки, вместе с изображениями ППР и МЭИ, обеспечивающими дополнительную регистрацию событий. Как отметил Тао, перед началом исследования такую подробную информацию можно было получить только с помощью флуоресцентного окрашивания или электронной микроскопии.
Посредством МЭИ также удалось рассмотреть электропорацию. В этом случае, в клетке используется импульс напряжения, вызывающий резкое увеличение проводимости и проницаемости плазменной мембраны клетки. Такую технику можно применять при использовании молекулярного зонда с целью наблюдения за внутренней частью клетки, вводом лекарственного средства для изменения клетки или сегментом кодирования ДНК. Здесь также необходима дополнительная информация, которую возможно получить при помощи сочетания оптики, ППР и МЭИ, с целью обеспечения более детальной картины этого процесса, с изображениями МЭИ, на которых представлены наиболее значительные перемены за определенный период времени. «Мы считаем очень важным потенциал данного метода при рассмотрении различных процессов внутри клетки, как, например, функционирование ионного канала и взаимодействие лекарственных средств с клетками».
Продолжающаяся работа усовершенствует этот безмаркерный, непроникающий метод микроскопии, предлагая возможность по-новому взглянуть на ранее незаметные клеточные явления.
Источник: medicaldaily.com
Перевод: Vitaminov.net
