Долгое время рассмотреть живые ткани человека в деталях под микроскопом было почти невозможно. Мозг, кожа, любые органы — их плотная структура поглощала свет, и изображение получалось размытым, без контраста. Ученые из Института технологий в Генуе нашли способ обойти эту проблему. Они разработали метод, который позволяет заглянуть внутрь живой клетки и увидеть все ее сложное устройство в кристальной четкости.

Их работа — часть большого европейского проекта Brighteyes, цель которого — наблюдать за молекулярными процессами в живых системах, чтобы понять причины болезней и самого старения. Некоторые разработки группы уже дошли до рынка благодаря стартапу Genoa Instruments.

Суть их нового метода в том, чтобы не просто осветить образец, а умно «прощупать» его светом.

Подробности опубликованы в издании Nature Photonics.

Мы переосмыслили сам принцип, по которому микроскопы измеряют свет, отраженный от образца. Это позволило убрать фоновый шум, который мешал разглядеть структуру толстых тканей, — поясняет руководитель исследования Джузеппе Вичидомини.

Они создали инструмент, который работает как световой скальпель. Он проникает глубоко в ткань, не повреждая ее. Специальная матрица сверхчувствительных датчиков улавливает не просто свет, а каждый отдельный фотон, фиксируя точное место и время его прибытия.

Эта информация затем обрабатывается алгоритмом, который восстанавливает истинный путь света сквозь образец.

В результате ученые получают не зашумленную картинку, а четкое и детализированное изображение.

Наш микроскоп использует матрицу SPAD-детекторов. Они могут уловить единичный фотон с высочайшей точностью, — объясняет Алессандро Зунино, ведущий автор исследования. — Это не только улучшает качество картинки, но и позволяет использовать методы вроде измерения времени жизни флуоресценции. Так мы можем отслеживать, как ведут себя молекулы внутри живой ткани, получая не просто снимок, а полноценное кино их жизни.

Исследователи поступили по принципам открытой науки: они выложили в свободный доступ все программное обеспечение и данные. Теперь любая лаборатория в мире может использовать этот метод бесплатно, без дорогого оборудования и лицензий.

Где это можно применить? Вариантов масса:

• Изучение работы мозга и развития нейродегенеративных заболеваний.
• Наблюдение за тем, как растут и ведут себя опухоли.
• Исследование органоидов — мини-версий органов, выращенных в пробирке.
• Прямое наблюдение за тем, как лекарства взаимодействуют с живыми клетками, что ускорит поиск новых терапий.

Исследование открывает путь к функциональной биологии в прямом эфире. Мы сможем не просто увидеть статичный срез клетки, а понаблюдать, как в реальном времени протекают ключевые процессы: как белки взаимодействуют друг с другом, как передаются сигналы, как меняется метаболизм клетки при воздействии лекарства или при развитии болезни. В фармакологии это может радикально сократить время доклинических испытаний — вместо того чтобы неделями ждать результата на животных, можно за несколько часов увидеть прямую реакцию живой человеческой ткани (органоида) на препарат. Это шаг к персонализированной медицине, когда терапию можно будет подбирать, тестируя ее на мини-органах, выращенных из клеток конкретного пациента.

Основное замечание, которое может возникнуть, касается не самой методики, а этапа ее внедрения. Алгоритм реконструкции изображения, который является сердцем метода, требует больших вычислительных мощностей и, возможно, специальной настройки под каждый тип ткани. Это может создать технологический барьер для небольших лабораторий, даже несмотря на открытый исходный код. Скорость обработки данных может ограничивать возможности наблюдения за очень быстрыми процессами в реальном времени. Таким образом, главный вызов сейчас — не в науке, а в инженерии: как сделать работу с этим методом такой же простой и быстрой, как с обычным конфокальным микроскопом.

Ранее ученые предложили использовать бактерии в качестве маячков.