Исследователи из Университета Аделаиды сделали необычную вещь: они взяли камеры, которые физики используют для изучения квантового мира, и применили их, чтобы снимать развитие эмбрионов. Получилось своего рода переоснащение высоких технологий на нужды биологии.

В центре Light for Life решили выяснить, можно ли приспособить сверхчувствительные матрицы для наблюдения за живыми клетками. Речь идет о камерах нового поколения, которые видят буквально каждый пакет света — фотон, попадающий в каждый пиксель. Зачем такая точность? Все дело в том, что живая клетка под микроскопом — штука нежная. Обычный яркий свет, который нужен для съемки, может ей навредить.

Профессор Кишан Дхолакия, руководитель центра, объясняет это так: повреждение от света — реальная проблема, на которую часто просто закрывают глаза. Чтобы понять, как живет и развивается клетка, за ней нужно наблюдать при максимально тусклом освещении. И вот тут как раз и пригодятся чувствительные камеры, способные работать в условиях почти полной темноты. Современные технологии действительно творят чудеса, открывая нам то, что раньше было скрыто.

Команда ученых, куда вошли Зейн Петеркович, доктор Авинаш Упадхья, Рамсес Баутиста Гонзалес, доктор Меган Лим, доктор Крис Перрелла, Адмир Байрактаревич и доцент Кайли Даннинг (она также руководит группой репродуктивного успеха в Исследовательском институте Робинсона), проверила эту идею на эмбрионах в рамках доклинических испытаний. Результаты они опубликовали в журнале APL: Photonics. Эти образцы — живые, растущие организмы, и изучение того, как на них влияет свет, важно для будущих улучшений в процедурах ЭКО.

Зейн Петеркович, аспирант и главный автор работы, поясняет, что цифровая фотография доросла до такого уровня, когда в игру вступают законы квантовой физики. Многие вещества внутри клеток начинают светиться, если на них направить свет. По этому свечению можно многое понять, но есть проблема — сигнал этот невероятно слабый. Поэтому так интересно применить квантовые камеры, чтобы выжать из микроскопа максимум информации.

Большая часть работы как раз и заключалась в том, чтобы разработать честный способ сравнения: насколько хорошую картинку выдают разные камеры в таких сложных условиях. Чтобы проанализировать снимки, пришлось объединить знания из оптики, биологии, лазерной физики и микроскопии. Исследователи даже пробовали с помощью искусственного интеллекта чистить картинку от шумов, которые возникают из-за острой нехватки света. Это не просто поставил камеру на микроскоп и нажал на кнопку, а большая кропотливая работа.

В планах ученых — двигаться дальше в сторону квантовой визуализации. Они надеются, что использование особых квантовых состояний света позволит узнать об образце еще больше.

Мы привыкли, что для получения качественного изображения нужно много света. Но в биологии этот принцип часто работает против нас. Фототоксичность — это убийца экспериментов. Мы можем наблюдать за клеткой, невольно калеча ее, и получать искаженные данные.

Фототоксичность — это повреждение живых клеток, тканей или организмов светом, который используется для их наблюдения. Когда мы светим в микроскоп, чтобы увидеть клетку, свет может вызывать в ней окислительный стресс, перегрев или мутации, искажая реальное поведение объекта или даже убивая его. Именно страх перед фототоксичностью заставляет ученых искать способы съемки при сверхтусклом освещении, чтобы не навредить и увидеть жизнь такой, какая она есть.

Польза здесь как минимум двойная.

• Во-первых, для фундаментальной науки: мы наконец-то сможем увидеть, как живет клетка в своем естественном, ненарушенном состоянии. Это особенно критично для эмбриологии. Представьте, что мы можем отбирать для подсадки при ЭКО самые здоровые эмбрионы не потому, что они красиво выглядят под яркой лампой, а потому, что их биохимические процессы протекают правильно, и мы это видим по сверхслабым сигналам.
• Во-вторых, если мы научимся получать диагностически значимую информацию с помощью сверхнизких доз света, это прямой путь к созданию новой медицинской техники. Например, портативных мониторов для оценки качества эмбрионов прямо в инкубаторе, без необходимости их вынимать. Это снизит стресс для клеток и повысит шансы на успех. По сути, авторы показали, как технологии из «большой» физики спускаются в клинику, чтобы решать совсем не квантовые, а очень человеческие проблемы.

Работа, безусловно, интересная и своевременная, но давайте посмотрим на нее с холодной головой. Главный вопрос, который у меня возникает: а что, собственно, нового мы узнали об эмбрионах? Это, по сути, методическая работа. Авторы показали, как калибровать камеры, сравнивать шумы и применять ИИ для чистки сигнала. Это инженерия высокого класса.

Но где биология? Пока что это демонстрация инструмента, а не открытие в эмбриологии. Они использовали эмбрионы как тестовый объект, но не предоставили новых данных об их развитии, которые нельзя было бы получить другими методами. Я бы хотел увидеть, какое конкретно биологическое явление, невидимое раньше, им удалось зарегистрировать благодаря этой сверхчувствительности. Пока что это красивая история про «как мы можем снимать», а не про „что мы увидели“. Это отличный задел, но до реальных прорывов в понимании биологии ранних стадий развития здесь еще предстоит пройти долгий путь.

Ранее ученые разработали метод наблюдения за клетками с помощью инфракрасного света.