К настоящему времени разработано множество оптических микроскопов, таких как фазово-контрастная микроскопия, флуоресцентная микроскопия, многофотонная микроскопия и флуоресцентная микроскопия со сверхвысоким разрешением. Недавние прорывы в оптических технологиях позволили ученым визуализировать ультратонкую структуру клеток и их функции даже in vitro и in vivo. Теперь мы можем использовать свет для управления активностью клеток, как в оптогенетике, с помощью канального родопсина или других родственных белков.
Однако настоящая оптогенетическая световая стимуляция, используемая для манипулирования клеточной активностью, слишком проста, с использованием равномерного воздействия с помощью светодиода или оптических волокон, поэтому возможен только низкий уровень манипуляции с клетками.
В этом исследовании предлагается новая система оптического микроскопа под названием SIFOM.
SIFOM состоит из двух подфункций: 3D-наблюдение клеток и 3D-стимуляция клеток на основе цифровой голографии. Это первый микроскоп, оснащенный технологией, которая может одновременно выполнять 3D-наблюдение и стимуляцию, и он имеет потенциальные применения в качестве новаторского инструмента в науках о жизни. Используя высокоскоростную безсканирующую фотографию, эта технология позволяет нам получать информацию о множественных событиях, происходящих в трехмерном пространстве, в очень короткие сроки.
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 достигли реконструкции как клеток, так и флуоресцентных шариков.
Исследование было проведено многопрофильной совместной исследовательской группой под руководством профессора Хироаки Уэйк (Университет Кобе, Высшая школа медицины) и профессора Осаму Матоба (Университет Кобе, Высшая школа системной информатики) в сотрудничестве с профессором Ясухиро Авацудзи (Киото).
Технологический институт, факультет электротехники и электроники) и профессор Йошио Хаясаки (Университет Уцуномия, Центр оптических исследований и образования).
Во время проверочного эксперимента они могли наблюдать световую стимуляцию максимум пяти клеток одновременно.
Максимальное количество стимулированных клеток определяется в основном из-за недостаточной мощности света для стимуляции. Ожидается, что в 2D (двумерном) пространстве одновременная световая стимуляция возможна для более чем 100 клеток, и в будущем команда планирует увеличить глубину стимуляции до нескольких сотен микрометров с помощью двухфотонной стимуляции.
Чтобы наблюдать живые клетки, существует предел мощности флуоресценции, чтобы избежать повреждения клеток, поэтому требуются 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 JST CREST, номер гранта JPMJCR1755, Япония, на создание SIFOM и последующее его применение для дальнейшего развития нейробиологии. Мы будем сотрудничать с компаниями, чтобы вывести новый оптический микроскоп на коммерческий рынок."