Физики из Франции и Гонконга разработали конфигурацию атомно-силового микроскопа, которая позволяет наблюдать за движением живых клеток. В качестве зонда микроскопа была выбрана длинная иголка, частично погруженная в жидкость, причем использовались одновременно две частоты колебаний иголки. С помощью предложенного метода можно получить изображение более высокого разрешения по сравнению с традиционными методами оптической микроскопии, а также измерить динамику изменения механических свойств клеток. Работа опубликована в Physical Review Applied.

Несмотря на то, что изначально атомно-силовая микроскопия разрабатывалась исключительно как метод получения трехмерных изображений твердых поверхностей, сейчас с помощью нее ученые получают много дополнительной информации. Так, атомно-силовой микроскоп дает информацию о химическом составе поверхности, ее механических свойствах и толщине покрывающей ее капиллярной пленки. Возможность того или иного способа использования атомно-силового микроскопа зависит во многом от свойств иголки-зонда, с помощью которой проводится эксперимент. Эти иголки могут отличаться по длине, заостренности кончика и материала. Иногда вместо иголок в качестве зонда используют частицы других форм.

Изображения разных стадий клеточного деления на разных стадиях с помощью атомно-силового микроскопа. D. Guan et al./ Physical Review Applied, 2017

В своей новой работе физики из Франции и Гонконга разработали методику, которая позволяет использовать атомно-силовую микроскопию для изучения движущихся клеток. Работа с клетками подразумевает проведение самого эксперимента в водной среде, поэтому для измерений ученые выбрали следующую конфигурацию. В качестве зонда была использована иголка длиной около 150 микрон, что примерно в 10 раз длиннее тех, что используются в стандартных конфигурациях. Такая иголка позволяет погрузить в жидкость только ее нижнюю часть, а место крепления при этом остается на воздухе. Кроме того, для ослабления возможного взаимодействия между иголкой и клеткой, использовалась не металлическая, а стеклянная иголка.

Схема эксперимента для исследования движущихся клеток с помощью атомно силовой микроскопии (слева) и фотография иголки атомно-силового микроскопа (справа). D. Guan et al./ Physical Review Applied, 2017

В эксперименте исследуемая клетка помещалась в жидкость, и все измерения проводились в неконтактном режиме: иголка совершала периодические вертикальные колебания непосредственно над исследуемой поверхностью, но никогда касалась ее. В такой конфигурации отклик на колебания зонда со стороны клетки происходит только за счет сопротивления жидкости. Сила гидродинамического сопротивления увеличивается при сближении зонда с клеткой, и по ее величине можно однозначно определить положение поверхности. Кроме того, зависимость силы от расстояния между зондом и исследуемой клеткой дает информацию об упругих свойствах поверхности клетки.

Другой особенностью работы системы было наложение двух частот колебаний иголки. Частота в 50 килогерц использовалась для определения положения клетки, а частота 300 килогерц использовалась для определения ее механических свойств.

Для проверки предложенного механизма авторы работы изучили процесс деления раковых клеток человека HeLa. В результате ученым не только удалось получить трехмерные изображения клеток в процессе деления с высоким разрешением, но и проследить за изменением упругих свойств клеточной мембраны.

Изображения разных стадий деления клетки с помощью оптической и атомно-силовой микроскопии. Гистограммы снизу показывают распределение модуля упругости клетки. D. Guan et al./ Physical Review Applied, 2017

Измерения показали, что непосредственно перед делением клеточная мембрана становится очень неоднородной по своим механическим свойствам, а среднее значение ее модуля упругости сильно падает. После деления клеток механические свойства мембраны почти возвращаются к своему начальному уровню. Проведенный эксперимент подтвердил уже известные закономерности об изменении упругих свойств раковых клеток в процессе их деления, и таким образом показал, что использование подобной конфигурации атомно-силового микроскопа: очень длинной иголки и наложения двух колебательных частот — крайне перспективно и для других исследований клеточной механики.

Обычно для исследования клеточной динамики используются различные методы оптической микроскопии с повышенным пространственным и временным разрешением. Пространственное разрешение оптических методов обычно не превосходит 1 микрона, зато они дают возможность с помощью флуоресцентных меток исследовать клеточную динамику в небольших живых организмах, например некоторых насекомых.

Автор: Александр Дубов