Микроскоп для наномира
Фото: «Швабе»
В прошлом году холдинг «Швабе» Госкорпорации Ростех впервые представил лазерный интерференционный микроскоп МИМ-Н, предназначенный для ранней диагностики онкологических заболеваний. Этот прибор не имеет аналогов в России и отличается от зарубежных моделей сверхвысоким разрешением: до 0,1 нанометра по вертикали и до 100 нанометров в плоскости объекта. Разработку микроскопа осуществил Уральский оптико-механический завод им. Э.С. Яламова совместно с Пермским федеральным исследовательским центром УрО РАН.
Разбираемся в принципе работы нового микроскопа и сферах его применения.
Что такое лазерная интерферометрия
Лазерная микроскопия представляет собой передовой метод визуализации, который использует лазерный свет для получения изображений объектов на микроскопическом уровне. Благодаря этому достигается высокая разрешающая способность, что делает лазерную микроскопию незаменимым инструментом в научных исследованиях, особенно в области биологии и медицины.
В отличие от традиционных методов, лазерная микроскопия позволяет изучать образцы без использования красителей, что особенно важно для сохранения естественного состояния клеток и тканей.
В микроскопе МИМ-Н реализована технология лазерной интерферометрии, которая сочетает в себе преимущества лазерной микроскопии и интерферометрии.
Чтобы понять, как работает лазерная интерферометрия, можно представить две волны, которые движутся вместе. Когда они встречаются, они могут усиливать друг друга (это называется конструктивная интерференция) или ослаблять (деструктивная интерференция). Лазерная интерферометрия использует этот принцип для создания четких изображений объектов.
В лазерном интерференционном микроскопе лазер излучает свет, который имеет очень узкий спектр и высокую когерентность, таким образом волны света находятся в фазе друг с другом. Далее лазерный свет разделяется на две части. Одна часть направляется на образец (в нашем случае — на клетку), а другая — на эталонный зеркальный отражатель. Свет, отраженный от образца и эталонного зеркала, снова объединяется. Когда эти два луча встречаются, они создают интерференционные полосы — чередующиеся светлые и темные линии. Эти полосы возникают из-за разницы в пути, который прошел каждый луч.
Изменения в интерференционных полосах указывают на изменения в структуре или свойствах образца. Это позволяет ученым получать высокоточные изображения и данные о клетках, не нарушая их жизнедеятельности.
Инструмент для прорывных исследований
Работы над микроскопом МИМ-Н начались в 2018 году в рамках Федеральной целевой программы, направленной на разработку программно-аппаратного комплекса для ранней диагностики злокачественных опухолей и оценки эффективности противоопухолевых препаратов. Этот амбициозный проект объединил усилия холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех и лаборатории биологически активных соединений Института технической химии УрО РАН (филиал ПФИЦ УрО РАН). Руководители работ — проф. О.Б. Наймарк (ПФИЦ УрО РАН) и к.ф-м.н. П.С. Игнатьев (АО УОМЗ).
Фото: «Швабе»
Важная особенность нового микроскопа — встроенная культуральная камера, обеспечивающая сохранение жизнеспособности исследуемых образцов. При этом прибор отличается компактностью: его вес не превышает 70 килограммов, что позволяет использовать его даже в небольших лабораториях.
МИМ-Н работает на основе принципов лазерной интерферометрии, что обеспечивает невероятно высокое разрешение — до 0,1 нанометра по вертикали и до 100 нанометров в плоскости объекта. Эти показатели значительно превосходят традиционный предел световых микроскопов, ограниченный 0,25 микрометра.
Фото: «Швабе»
Стоит отметить, что МИМ-Н — полностью российская разработка. Все элементы и технологии, в том числе программное обеспечение, созданы специалистами УОМЗ и выпускаются в России. Напомним, что прибор является настольной, более компактной версией разработанного ранее микроскопа МИМ-340, работа которого основана на аналогичных принципах. Модель МИМ-340 получила ряд премий и успешно применяется в различных областях науки и техники.
Инновации в науке и здравоохранении
Лазерный микроскоп МИМ-Н открывает широкие перспективы для медицинской диагностики и научных исследований, позволяя заглянуть в мир микроструктур с беспрецедентной детализацией изображения. В частности, ученые смогут исследовать морфологические и динамические изменения, происходящие в опухолевых клетках, и открывать новые подходы в лечении рака. Микроскоп позволяет достаточно достоверно дифференцировать здоровые клетки и клетки опухоли, отслеживать динамику процесса лечения и подбирать оптимальные дозировки препаратов. Раннее обнаружение раковых клеток и мониторинг их изменений в ходе лечения позволит врачам более точно оценивать эффективность терапии и, при необходимости, корректировать ее.
Фото: «Швабе»
Перспективность использования этого программно-аппаратного комплекса простирается далеко за пределы онкологии. МИМ-Н может применяться для изучения влияния микрогравитации на изменение фенотипов клеток, анализа биосовместимости при создании имплантатов, а также для разработки количественных методов оценки динамики и морфологии клеток в контексте радиологических и регенеративных технологий.
Ведется работа по исследованию поведения клеток в условиях микрогравитации, с акцентом на морфологические и динамические изменения, происходящие в невесомости. Этот проект мирового уровня поможет раскрыть механизмы программируемой клеточной гибели и понять, как изменяются фенотипы клеток в зависимости от продолжительности их пребывания в невесомости. Для этого разрабатывается специальная орбитальная версия микроскопа.