Исследователи из Колумбийского университета разработали новую оптическую технологию HySIL (англ. Hybrid Solid-Liquid Optics, дословно «гибридная твердо-жидкостная оптика»), которая позволяет получать высокодетализированные трехмерные изображения крупных биологических образцов, сохраняя при этом невысокую стоимость оборудования и лабораторных работ. Результаты опубликованы в журнале Nature Biotechnology.
Современная биология и медицина все сильнее зависят от качественной 3D-визуализации тканей — от мозга до опухолевых биопсий. Однако исследователям долгое время приходилось выбирать между дорогими высокоточными объективами и более доступными системами с заметно худшим качеством изображения.
Новая разработка команды профессора Раджу Томера (Raju Tomer) решает эту проблему. В основе HySIL лежит сочетание специальной изогнутой твердой линзы и точно подобранной иммерсионной жидкости. Вместе они работают как единая оптическая система, позволяя недорогим объективам получать изображения качества, ранее доступного только значительно более дорогим установкам.
От мозга саламандры до опухоли человека
Для демонстрации возможностей технологии ученые создали модульную систему SCOPE, которую можно устанавливать на существующие световые микроскопы. Также была разработана версия Super-SCOPE с еще более высоким разрешением.
В испытаниях технология использовалась для исследования:
- Цельного мозга мыши, саламандры и слепой пещерной рыбки;
- Органоидов человеческого мозга, выращенных в лаборатории;
- Неповрежденных образцов раковых опухолей человека.
Такой подход позволил анализировать ткани не в виде традиционных тонких срезов на стекле, а в полном объеме.
Особенно впечатляющими оказались изображения ткани молочной железы человека (фото выше). Ученые смогли рассмотреть трехмерную структуру продуцирующих долек, которая практически недоступна для обычной микроскопии.
Авторы отмечают, что HySIL представляет собой универсальную платформу и может применяться не только в светолистовой микроскопии, но и в конфокальных, двухфотонных и других системах трехмерной визуализации.
Почему это важно для медицины и ИИ
По словам исследователей, упрощение и удешевление 3D-визуализации может ускорить развитие алгоритмов искусственного интеллекта для диагностики заболеваний. Чем больше объемных данных о тканях получают ученые и врачи, тем эффективнее можно обучать нейросети распознавать признаки болезней, оценивать прогноз и подбирать лечение.
Участвовавшая в экспериментах врач-патологоанатом дополнительно отметила, что трехмерный анализ позволяет видеть всю архитектуру ткани, а не только отдельный срез, как это происходит в традиционной патанатомии.
Мы разрушили давний компромисс между производительностью микроскопии и ее доступностью.
Раджу Томер
Для справки
Светолистовая микроскопия позволяет получать объемные изображения тканей значительно быстрее и с меньшим повреждением образцов по сравнению с традиционными методами.
Современные алгоритмы ИИ уже применяются для восстановления сверхчетких микроскопических изображений и способны ускорять обработку данных в сотни и тысячи раз.
Ограничение классической оптической микроскопии связано с дифракционным пределом, который долгое время считался фундаментальным барьером для повышения разрешения. Новая технология не преодолевает этот барьер, но позволяет заглянуть вглубь ткани, что гораздо важнее.
Источник: hi-tech.mail.ru