Новый метод выявляет химический состав образца, а также ориентацию молекул, составляющих этот образец, — информацию, которая может быть использована для понимания того, как молекулы ведут себя. Более того, он получает эту информацию за считанные секунды, значительно быстрее, чем минуты, требуемые другими методами. Более высокая скорость означает, что впервые можно будет наблюдать за развитием болезни на моделях живых животных на молекулярном уровне. При дальнейшем развитии метод может также использоваться для обнаружения ранних признаков нейродегенеративных заболеваний у людей.
В Optica, журнале Оптического общества для исследований с высокой ударной нагрузкой, исследователи под руководством Софи Брасселе из Института Френеля, CNRS, Марсельский университет Экс-Марселя, Франция, сообщают о своем новом методе, называемом высокоскоростным поляризационным разрешением когерентного комбинационного рассеяния света. Они использовали искусственные липидные мембраны, чтобы продемонстрировать возможности этого метода для улучшения неврологических исследований.
Искусственные мембраны, используемые в исследовании, состоят из упакованных слоев липидов, похожих на те, что находятся в миелиновой оболочке, покрывающей аксоны, чтобы помочь электрическим импульсам перемещаться быстро и эффективно. Когда болезни, такие как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз, прогрессируют, эти липиды начинают дезорганизовываться, и липидные слои теряют адгезию.
Это в конечном итоге приводит к отсоединению миелиновой оболочки от аксона и нарушению работы нервных сигналов.«Мы разработали методику, позволяющую визуализировать молекулярную организацию в клетках и тканях, которая в конечном итоге позволит нам увидеть раннюю стадию этого отслоения и то, как липиды организованы в этой миелиновой оболочке», — сказал Брасселе. «Это может помочь нам понять прогрессирование заболеваний, определив, например, стадию, на которой липиды начинают дезорганизовываться, и какие молекулярные изменения происходят в это время.
Это может позволить использовать новые целевые лекарственные препараты, которые работают иначе, чем те, которые используются сейчас».Наблюдение за молекулами в реальном времени
В новой технике, разработанной Брасселе и ее исследовательской группой, используется нелинейный эффект, называемый когерентным комбинационным рассеянием света, который возникает при взаимодействии света с молекулами. Частота или длина волны нелинейного сигнала обеспечивает химический состав образца на основе его молекулярных колебаний без необходимости добавления каких-либо дополнительных флуоресцентных меток или химикатов.Исследователи основывались на существующем подходе, называемом визуализацией вынужденного комбинационного рассеяния, который усиливает сигнал комбинационного рассеяния, модулируя интенсивность или мощность лазерного излучения.
Чтобы получить информацию об ориентации молекул из когерентного рамановского сигнала, исследователи использовали электрооптическое устройство, называемое ячейкой Поккельса, для быстрой модуляции поляризации лазера, а не его интенсивности.«Мы взяли концепцию модуляции интенсивности, используемую для вынужденного рамановского рассеяния, и перенесли ее на модуляцию поляризации с помощью стандартного устройства», — сказал Брасселе. «Обнаружение сигнала для нашей техники очень похоже на то, что делается с помощью вынужденного комбинационного рассеяния света, за исключением того, что вместо определения только интенсивности света мы обнаруживаем информацию о поляризации, которая говорит нам, являются ли молекулы сильно ориентированными или полностью дезорганизованными».Ключевым моментом, однако, является получение информации об ориентации достаточно быстро, чтобы фиксировать высокодинамичные биологические процессы на молекулярном уровне.
Предыдущие методы были медленными, потому что они получали изображение, затем информацию о поляризации, а затем повторяли процесс, чтобы зафиксировать изменения с течением времени. Очень быстро модулируя поляризацию лазера, исследователи могли проводить измерения пиксель за пикселем в реальном времени.С новым подходом получение информации об ориентации липидов на большом изображении, содержащем несколько клеток, занимает меньше секунды.
Эта информация затем используется для построения последовательности изображений «липидного порядка», которые показывают динамику молекулярной ориентации в субсекундных временных масштабах.Измерительные одиночные мембраныИсследователи показали, что их метод может выявить деформацию и организацию липидов в искусственных липидных мембранах, напоминающих упакованные мембраны миелина.
Этот метод был даже достаточно чувствительным, чтобы измерить организацию липидов вокруг красных кровяных телец, которые имеют только одну липидную мембрану.«Несмотря на то, что мы продемонстрировали эту технику только на модельных мембранах и отдельных клетках, эта техника применима к биологической ткани», — сказал Брасселе. «Это покажет нам, как ведут себя молекулы, информация, недоступная из морфологических изображений микронного масштаба, сделанных с помощью традиционных методов микроскопии».Брасселе сказал, что новый метод может быть использован в ближайшем будущем, чтобы лучше понять прогрессирование заболеваний, связанных с разрушением миелиновой оболочки, таких как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз. Например, его можно использовать для визуализации нейронов у живых мышей, комбинируя технику рамановского рассеяния с существующими методами, в которых крошечные окна имплантируются в мозг и спинной мозг лабораторных животных.
«В конечном итоге мы хотели бы разработать когерентную рамановскую визуализацию, чтобы ее можно было использовать в организме для выявления заболеваний на их ранних стадиях», — сказал Брасселе. «Для этого метод должен быть адаптирован для работы с эндоскопами или другими разрабатываемыми инструментами, которые позволяют получать изображения внутри тела на основе света».