Новый микроскоп, разработанный в Стэнфордском университете, позволяет учёным наблюдать крошечные структуры внутри живых клеток в реальном времени, показывая их движение и взаимодействие с беспрецедентной чёткостью без использования флуоресцентных меток, которые обычно применяются для визуализации этих структур.

Исследователи из Стэнфорда создали мощную новую систему визуализации, которая раскрывает внутреннюю жизнь живых клеток с замечательной ясностью. Объединив две передовые микроскопические техники, прибор достигает разрешения примерно 120 нанометров — беспрецедентного уровня детализации для метода, не требующего флуоресцентной маркировки.

Технология, получившая название интерферометрическая сканирующая микроскопия изображения (iISM), даёт возможность одновременно наблюдать несколько клеточных структур, пока они движутся, изменяются и реагируют на окружающую среду. Учёные также могут исследовать, что происходит, когда клетки встречаются с лекарствами или патогенами, что потенциально позволяет выявлять биологические процессы, которые ранее было трудно изучать.

Прорыв, описанный в журнале портфолио Nature Light: Science and Applications, может привести к продвижению в исследованиях рака, разработке лекарств, изучении инфекционных заболеваний и в работах по взаимодействию растений с микроорганизмами.

«Этот новый микроскоп предоставляет фантастический новый взгляд внутрь клетки: вы можете видеть крошечные структуры и машинерии в клетке, которые движутся, меняются и взаимодействуют, не прибегая к флуоресценции для их наблюдения», — сказал старший автор У. Э. Мёрнер, профессор химии Гарри С. Мошера в Школе гуманитарных и естественных наук Стэнфорда. «Это удивительный взгляд в эти сложные маленькие клеточные коробочки, которые управляют нашей жизнью».

Видеть внутри живых клеток без флуоресцентных меток

Одно из важнейших преимуществ нового микроскопа — способность показывать клеточную активность без опоры на флуоресцентные маркеры.

Многие существующие микроскопические методы используют флуоресцентные вещества, чтобы выделять конкретные структуры внутри клеток. Хотя эти методы трансформировали биологические исследования, они имеют ограничения. Как правило, можно маркировать лишь небольшое число структур одновременно, что затрудняет наблюдение за взаимодействием различных компонентов по всей клетке.

Флуоресцентные сигналы также могут ослабевать в ходе наблюдения в результате фотоблёкания. Кроме того, введение меток может быть технически трудным, а некоторые маркеры способны изменять поведение тех структур, которые учёные намерены изучать.

Система Стэнфорда избегает этих проблем, осуществляя визуализацию клеток без флуоресцентной маркировки. Это позволяет исследователям отслеживать многочисленные клеточные компоненты в течение длительных периодов, наблюдая их активность в более естественных условиях.

Ещё одно преимущество заключается в том, что iISM требует существенно меньшей мощности излучения по сравнению с сопоставимыми безметочными методами, дающими изображения с высоким контрастом. Низкая световая нагрузка уменьшает вероятность фотоповреждения — явления, при котором свет, используемый для визуализации, вредит живым клеткам или вмешивается в их нормальные функции.

Хотя другие специализированные микроскопы могут достигать более тонкого разрешения, сочетание детализированной визуализации, щадящего освещения и возможности длительных наблюдений делает iISM особенно ценным для исследования живых биологических систем.

Исследователи подчёркивают, что их технология предназначена для дополнения флуоресцентной микроскопии, а не для её вытеснения.

Первая авторка Мишель Кюпперс, постдокторантка в лаборатории Мёрнера, пояснила, что объединение сильных сторон разных методов визуализации может помочь учёным ответить на ранее недоступные вопросы.

«У каждого метода есть свои преимущества и недостатки, и мы верим в комплементарное применение в будущем», — сказала Кюпперс. «Если использовать силу флуоресценции для молекулярной специфичности и силу iISM для немеченого контекста и динамики, мы действительно можем начать решать вопросы, которые раньше было трудно адресовать».

Как новый микроскоп достигает беспрецедентной детализации

Прорыв достигнут благодаря объединению двух разных микроскопических технологий, каждая из которых имеет свои преимущества.

Мёрнер получил Нобелевскую премию по химии 2014 года за пионерские вклады в сверхразрешающую флуоресцентную микроскопию. Он специально пригласил Кюпперс в Стэнфорд из-за её докторских исследований, связанных с техникой, называемой интерферометрической рассеянной микроскопией.

Этот метод опирается на хорошо известное свойство света: рассеяние.

Свет меняет направление, сталкиваясь с крошечными частицами. То же явление объясняет, почему небо кажется голубым. Когда солнечный свет проходит через атмосферу Земли, молекулы, пыль и капли воды рассеивают его разные длины волн. Более короткие голубые длины волн рассеиваются сильнее, чем более длинные красные, что и создаёт наблюдаемый голубой цвет.

Интерферометрическая рассеянная микроскопия использует это поведение на гораздо меньшем масштабе.

Лазер освещает клетку, заставляя крошечные структуры внутри неё рассеивать часть падающего света. Поскольку рассеиваемый сигнал чрезвычайно слаб, в качестве усиления используется второй лазерный луч, который через интерференцию усиливает сигнал, позволяя микроскопу обнаруживать структуры, которые в противном случае было бы трудно увидеть.

Команда Стэнфорда улучшила этот подход, объединив его с технологиями, заимствованными из продвинутых конфокальных микроскопов.

Традиционные конфокальные микроскопы используют небольшое отверстие — пинхол — и один детектор, чтобы изолировать свет из выбранной области. В более продвинутых вариантах эту схему заменяют массивами детекторов на базе камер, способными собирать множественные обзоры одной и той же области.

Исследователи встроили массив детекторов в свой новый микроскоп, что позволило собирать больше света, чем в традиционной системе с пинхолом и одиночным детектором.

Сотни обзоров объединены в одно более резкое изображение.

Преимущество сбора множества перспектив похоже на то, как работает человеческое зрение.

Наши два глаза видят мир с немного разных позиций, помогая мозгу различать близкие и удалённые объекты. Микроскоп Стэнфорда использует родственный принцип, но вместо двух перспектив массив детекторов собирает десятки и сотни обзоров.

Исследователи разработали вычислительный метод, который объединяет эти измерения для получения изображений с улучшенной резкостью, контрастом, глубинной информацией и точностью.

Объединив сильные стороны интерферометрической рассеянной микроскопии и продвинутых массивов детекторов, команда создала прибор, способный разрешать структуры размером примерно до 120 нанометров.

Для представления масштаба: нанометр — это одна миллиардная доля метра. На этом уровне исследователи могут изучать чрезвычайно маленькие клеточные структуры и отслеживать их движения и взаимодействия.

Критически важно, что микроскоп достигает такого разрешения без потери скорости съёмки и без необходимости в интенсивном лазерном облучении. Поэтому учёные могут наблюдать живые клетки в течение более длительных периодов, минимизируя риск нарушения или повреждения их нормальной работы.

От противораковых препаратов до малярии: новые возможности для исследований

Мёрнер и Кюпперс продолжают совершенствовать прибор с целью сделать его доступным для учёных в различных областях биологии.

Три сотрудничества с другими исследовательскими группами Стэнфорда уже запущены или находятся в разработке, демонстрируя спектр задач, которые технология может помочь решить.

Один проект использует микроскоп для наблюдения взаимодействий между растительными клетками, грибами и бактериями в режиме реального времени. Наблюдая эти взаимодействия, исследователи надеются получить более ясное представление о сложных отношениях между растениями и микробами.

Другое сотрудничество сосредоточено на лечении рака. Учёные используют iISM, чтобы изучать, как противораковый препарат попадает в клетку, что потенциально даёт ценную информацию о взаимодействии лекарств с их целями.

Третий проект, ещё на стадии планирования, будет изучать, как эритроциты меняют форму при воздействии малярийной инфекции. Наблюдение за этими физическими изменениями может дать новые знания о том, как болезнь влияет на клетки крови.

Эти приложения иллюстрируют, почему исследователи считают, что их микроскоп может стать полезным инструментом в многочисленных научных дисциплинах, а не ограничиться узкой областью исследований.

«Это не нишевая техника», — сказала Кюпперс. «Она имеет широкие приложения, и мы надеемся, что сообщество биологов получит от неё большую пользу, что приведёт ко множеству новых открытий».

Материалы предоставлены Стэнфордским университетом. Примечание: содержание могло быть отредактировано в целях стиля и объёма.

Michelle Küppers, W. E. Moerner. Interferometric Image Scanning Microscopy for label-free imaging at 120 nm lateral resolution inside live cells. Light: Science, 2026; 15 (1) DOI: 10.1038/s41377-026-02210-y