Органы у микрофона

Новый метод мультиспектральной оптико-акустической томографии позволил немецким ученым разглядеть внутренности рыбы-зебры in vivo и в будущем позволит обнаружить у человека раковые опухоли на ранней стадии.

В современной науке для исследования внутреннего строения живых организмов существует много методов, но каждый из них даёт далеко не безграничные возможности. Один из перспективных методов, флуоресцентная микроскопия, основан на формировании изображения оптическим излучением, которое возникает внутри объекта или в результате собственного свечения вещества, или за счет специально направленного оптического излучения определенной длины волны. Но пока ученым приходилось довольствоваться лишь изучением объектов на глубине 0,5–1 мм, а дальше свет сильно рассеивается и отдельные детали не подлежат разрешению.

Группа ученых под руководством директора Института медицины и биологии при Центре имени Гельмгольца по изучению окружающей среды Василиса Нциахристиса и доктора Даниэля Разански разработала новый метод изучений микроскопических деталей в тканях.

Им удалось добиться получения трехмерных изображений внутренней структуры живых организмов на глубине 6 мм с пространственным разрешением менее 40 микрон (0,04 мм).

Результаты работы опубликованы в Nature Photonics.

Свой метод ученые назвали мультиспектральной оптико-акустической томографией (MSOT). От классической оптико-акустической томографии, где информация о распределении оптических неоднородностей доставляется ультразвуковыми волнами, испытывающими относительно слабое рассеяние в биологических тканях, авторы работы действительно взяли довольно много. Но при этом MSOT позволяет исследовать структуры размерами, сравнимыми с размерами отдельных клеток, а классическая оптико-акустическая томография изучает неоднородности размером не меньше 1–2 мм.

Что же нового придумали ученые из Центра имени Гельмгольца? Они последовательно посылали на изучаемый объект луч лазера под разными углами. Когерентное излучение лазеров поглощалось находящимся в глубоких тканях флуоресцентным белком, вследствие чего в этой области повышалась температура и возникала своего рода ударная волна, сопровождающаяся ультразвуковыми волнами. Эти волны принимались специальным ультразвуковым микрофоном.

Затем все эти данные отправлялись в компьютер, который в результате выдавал трехмерную модель внутренней структуры объекта.

В работе использовались плодовая мушка Drosophila melanogaster («чернобрюхая дрозофила») и хищная рыба-зебра.

«Это открывает дверь в совершенно новый мир исследований, – считает один из авторов работы доктор Даниэль Разански. – Впервые биологи смогут в оптическом диапазоне следить за развитием органов, за клеточными функциями и экспрессией генов».

Данная работа не была бы реализована, если бы не открытие нового вида белков, которые флуоресцируют под воздействием оптического излучения. Так, за работы по открытию и исследованию зеленого флуоресцирующего белка (GFP) американские ученые Осаму Симомура, Мартин Чалфи и Роджер Тсиен (Цянь Юнцзянь) получили в 2008 году Нобелевскую премию.

К настоящему времени удалось обнаружить другие природные цветные белки, и их число продолжает постоянно расти.

Нет сомнений, что в ближайшем будущем эта технология будет широко применяться для повсеместного изучения метаболических и молекулярных процессов – от рыб и мышей до людей, и самое актуальное применение метода MSOT для человека – это обнаружение раковых опухолей на ранней стадии, а также изучение состояния коронарных сосудов.