Дикие изображения показывают ударную волну, проходящую через одну клетку

Sequential images showing an underwater acoustic shock propagating through water (top) and a HeLa cell (bottom).

Проявив поразительную изобретательность, учёным впервые удалось заснять на пленку микроскопическую ударную волну, проходящую через одну человеческую клетку.

Используя систему, называемую спектральной схемой, команда под руководством инженер Такао Сайки из Токийского университета добился как наноразмерного разрешения, так и скорости, необходимой для покадрового захвата движения подводного акустического удара при его прохождении через культивированную клетку HeLa от начала до конца.

Полученные изображения раскрывают новую информацию о том, как ударные нагрузки взаимодействуют с биологическими клетками. Это открытие также открывает возможности для понимания ударно-волновой терапии и определения характеристик клеток на основе их акустических свойств.

Последовательность изображений, показывающих, как электрический разряд проходит через клетку. (Saiki et al., Sci. Adv., 2023)

«Насколько нам известно, впервые в истории мы непосредственно наблюдали взаимодействие между биологической клеткой и ударной волны и экспериментально продемонстрировали, что скорость ударной волны, распространяющейся внутри клетки, выше, чем снаружи клетки», — объясняет Сайти.

«Кроме того, наш подход позволил нам продемонстрировать высокоскоростную фотографии в широком временном диапазоне, включая пикосекундные (одна триллионная доля секунды), наносекундные (одна миллиардная доля секунды) и миллисекундные (одна тысячная доля секунды) временные шкалы».

Съемка изображений одиночных клеток затруднено. Во-первых, они очень хрупкие и их легко повредить. К тому же они крошечные и требуют возможностей чрезвычайно высокого разрешения. Поскольку они такие маленькие, перемещение чего-либо с одной стороны клетки на другую не занимает много времени. Если вы моргнете, вы действительно его пропустите.

Поэтому любая система, предназначенная для визуализации распространения ударной волны через клетку, должна отметить несколько пунктов. Он должен функционировать в невероятно крошечных масштабах, как в пространстве, так и во времени. И это необходимо сделать, не повреждая клетку.

Спектральная схема — это оптическая схема, работающая на свету, а не на электричестве. Команда использует это для генерации лазерных импульсов, которые не повреждают клетку, посылая их в клетку, находящуюся в чашке с водой, с разными наносекундными интервалами.

Затем они применили метод визуализации, называемый последовательно синхронизированным. полностью оптическая картографическая фотография, или STAMP, которая использует серийную съемку для создания серии последовательных изображений за короткие промежутки времени.

Эта камера использовалась для фотографирования волны, когда она проходила через ячейку, делая снимки через определенные промежутки времени. 1,5 наносекунды, а время экспозиции каждого кадра — 44 пикосекунды. Результаты ясно показывают, как волновой фронт движется от одной стороны ячейки к другой.

Изображения лазерной абляции, полученные командой с помощью новой системы. (Saiki et al., Sci. Adv., 2023)

Эта технология находит применение не только в биологической визуализации. Исследователи также использовали его для изображения эффектов лазерной абляции на стекле.

Они направили фемтосекундные (одну квадриллионную долю секунды) лазерные импульсы на стеклянный лист и смогли подробно наблюдать процесс воздействие лазера на стекло, ударная волна и абляция в разных временных масштабах.

Эта технология, по словам команды, дает ученым новый инструмент для понимания микроскопических, быстрых взаимодействий, разбивая их на серию процессы, которые могут помочь разработать более эффективные инструменты для их контроля. Это имеет далеко идущие последствия.

«Наша технология дает возможность выявить полезные, но неизвестные высокоскоростные явления, позволяя нам наблюдать и анализировать такие сверхбыстрые процессы», — говорит инженер Кейичи Накагава из Токийского университета.

«Далее мы планируем использовать нашу технику визуализации, чтобы визуализировать, как клетки взаимодействуют с акустическими волнами, например, теми, которые используются в ультразвуковой и ударно-волновой терапии. Делая это, мы стремимся понять основные физические процессы, которые активировать последующие терапевтические эффекты в организме человека».

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.