Цветной ИК-томограф покажет строение живых тканей и молекулярные процессы

В фантастических фильмах часто показывают, как в будущем химический анализ образца занимает секунды, а его результаты представляются в максимально наглядной форме. Понемногу фантастика становится реальностью. Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и университета Висконсин-Милуоки объявили о разработке нового способа полноцветной ИК-микротомографии.

Объединенив два хорошо известных метода (ИК-Фурье микроспектроскопию с компьютерной томографией), им удалось создать новую технологию 3D-визуализации. В отличие от многих подобных, она не требует специальной подготовки образцов и не оказывает на них разрушающего воздействия. Вдобавок, метод обеспечивает беспрецедентную детальность в представлении строения исследуемых образцов, включая биологические ткани.

Полноцветная объёмная ИК-микротомография (художественное представление) Изображение: Cait Youngquist / Berkeley Lab.

Для большинства других методов визуализации выбор цвета происходит условно. Например, при цветовом допплеровском картировании направление кровотока по отношению к датчику представлено на мониторе синим или красным цветом. Здесь же осуществляется спектральная привязка по цвету к определённым химическим соединениям, что позволяет сразу увидеть особенности состава образца.

Условное обозначение цветом направления кровотока при цветовом допплеровском картировании (изображение: ultrasound-images.com)

ИК-Фурье микротомография использует низкоэнергетические фотоны, поэтому практически не влияет на структуру образца и живые ткани. Метод может использоваться без значимых ограничений в медицинских исследованиях, археологии и дефектоскопии.

Каждый элемент объёмного изображения (воксел) формируется сочетанием множества спектров одного образца. Последний медленно вращают на подставке, удерживая в фокусе ИК-микроскопа и облучая разными длинами волн в инфракрасном спектре. Основным лимитирующим фактором является скорость переключения режимов источника и параллельно выполняемого сканирования. Источником ИК-света является установка IRENI, созданная в центре синхротронного излучения (SRC) при университете Висконсин-Милуоки.

На снимке представлена часть установки IRENI, в которой 24 зеркала формируют 12 коллимированных лучей (фото: SRC, UW-Madison)

«С IRENI можно быстро получить сотни спектральных изображений вращающегося образца. Затем для каждой длины волны мы реконструируем полную 3D-модель при помощи алгоритмов компьютерной томографии» – пишет один из авторов исследования Майкл Мартин.

Каждое вещество поглощает инфракрасный свет с определённой длиной волны, формируя уникальную картину – спектр поглощения. По этим спектрам можно определить наличие и характер распределения различных молекул в образце.

В классической ИК-спектроскопии определяются преимущественно низкомолекулярные соединения. Новый метод расширяет границы, позволяя обнаруживать и крупные молекулы, включая белки, жиры, нуклеиновые кислоты, полимеры и комплексные соединения.

Одновременно выполняется качественный анализ (факт обнаружения искомого вещества) и количественный (его масса). Дополнительно появляется возможность отслеживать перемещение различных веществ и наблюдать за динамикой биологических процессов.

Помимо наглядной визуализации, общая трёхмерная картина несёт в себе большой объём информации для углубленных исследований с использованием методов кластеризации и нейронных сетей.

Отслеживание изменения химического состава тканей и клеток позволит выяснить механизмы развития заболеваний и защитных реакций организма в ответ на различные внешние воздействия. Инфракрасная микротомография по множеству параллельных каналов способна помочь в исследовании клеточных процессов.

В опубликованной работе уже отмечались такие направления исследовательских проектов, как изучение кинетики живых клеток (фитопланктон), грибков и бактерий-минеральных взаимодействий. По мнению авторов, методика также найдёт применение в других научных дисциплинах, включая нанотехнологии, генетику, биохимию и физику конденсированных сред.

Майкл Мартин в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (фото: lbl.gov)

«С ИК-Фурье спектроскопией в науке связано много интересных открытий. Благодаря ИК-лазерам разрешающая способность достигла дифракционного предела. Казалось, метод уже нельзя усовершенствовать. Тем сильнее впечатляет, что сейчас мы впервые смогли перейти к объёмной полноцветной визуализации» – отмечает Майкл Мартин.

Метод уже опробован на разных биологических объектах. Среди них клеточная стенка цинии (травы семейства Астровые), клетки тополя, человеческий волос и плюрипотентные стволовые клетки мыши. Растения были выбраны в качестве демонстрации возможностей метода при выборе сырья для биотоплива. Волосы являются ценным материалом в криминалистике, а со стволовыми клетками связаны сотни научных проектов.

ИК-микротомография человеческого волоса. Красным отмечены белковые включения в синем фосфолипидном слое (изображение: Michael Martin / Berkeley Lab.)

Авторы исследования считают, что новый метод в первую очередь найдёт применение в биомедицинских разработках. Однако лежащая в его основе идея довольно универсальна, а технология может быть адаптирована для самых разных целей – вплоть до проверки подлинности материалов и реставрации картин.