Система AMATERAS позволяет рассмотреть миллион клеток на одном изображении

Изучать поведение большой популяции клеток в пространстве и попутно наблюдать за отдельными клетками с помощью традиционных подходов, таких как микроскопия и проточная цитометрия, весьма затруднительно. Японские ученые сообщили о создании новой системы визуализации клеток, получившей название AMATERAS — a multi-scale/modal analytical tool for every rare activity in singularity, «мультимасштабный/мультимодальный аналитический инструмент для каждой редкой активности в сингулярности». (Аматэрасу — имя синтоистской богини солнца.) Система обеспечивает пространственное разрешение в несколько микрометров в поле зрения 1 см и более. Авторы работы опробовали ее для наблюдения за динамикой ионов кальция в клетках HeLa и цАМФ в клетках слизевика Dictyostelium discoideum.

Основу AMATERAS составляют телецентрическая линза с двукратным увеличением, исходно использовавшаяся для машинного зрения, которая обеспечивает разрешение около 2 микрометров, и адаптированный датчик изображения (image sensor) с размером пикселя 2,2 микрометра. Разрешение, достаточное для визуализации отдельных клеток, достигается без использования линз с высоким увеличением. В дальнейшем авторы разработки планируют адаптировать ее для мультимодальных измерений, однако текущая версия AMATERAS работает только в одной модальности и обеспечивает оптическую визуализацию клеток.

С помощью AMATERAS авторы работы визуализировали срез мозга мыши, в котором часть нейронов экспрессировала флуоресцентные белки tdTomato и EGFP, а ядра клеток были окрашены красителем Hoechst 33342. На полученных изображениях можно увеличить любую интересующую клетку, подобно тому, как это делается на Google-картах. На примере культуры клеток MDCK, ядра которых были окрашены флуоресцентным агентом NucleoSeeing, авторы работы показали, что AMATERAS позволяет за один раз визуализировать миллион клеток.

Возможность регистрировать редкие клеточные события с помощью AMATERAS продемонстрировали на примере динамики концентрации ионов кальция в клетках HeLa. Концентрацию Ca²⁺ визуализировали опосредованно через флуоресцентный белок Yellow Cameleon 3.60, который в присутствии кальция вступает в ферстеровский перенос энергии с другими флуоресцентными белками — ECFP и Venus. С помощью AMATERAS исследователям удалось визуализировать 0,0017% клеток HeLa, в которых происходило спонтанное повышение концентрации кальция.

Эффективность AMATERAS в детекции редких клеточных событий была также продемонстрирована на примере клеток слизевика Dictyostelium discoideum. Его клетки, одиночные почвенные амебы, способны агрегировать, формируя в итоге многоклеточные плодовые тела. Агрегация клеток зависит от цАМФ. Авторы работы визуализировали клетки желтым или красным цветом в зависимости от внутриклеточной концентрации цАМФ с помощью специфических флуоресцентных белков и отследили многочисленные изменения в концентрации цАМФ при переходе Dictyostelium discoideum в многоклеточное состояние.