На зображеннях показали, як ударна хвиля проходить через одну клітину

Завдяки вражаючій винахідливості вченим вперше вдалося зафіксувати на плівці мікроскопічну ударну хвилю, що проходить крізь одну людську клітину.

Використовуючи систему під назвою спектральна схема, команда під керівництвом інженера Такао Саїкі з Токійського університету досягла як нанорозмірної роздільної здатності, так і швидкості, необхідної для зйомки, кадр за кадром, руху підводного акустичного удару, коли він проходить крізь культивовану клітину HeLa, від початку до кінця.

Отримані зображення розкривають нову інформацію про те, як ударні хвилі взаємодіють з біологічними клітинами, і цей прорив також відкриває шлях до розуміння ударно-хвильової терапії та характеризує клітини на основі їхніх акустичних властивостей.

Послідовність зображень, що показує рух ударної хвилі через клітину. (Саїкі та ін., Sci. Adv., 2023)

“Вперше в історії, наскільки нам відомо, ми безпосередньо спостерігали взаємодію між біологічною клітиною і ударною хвилею, і експериментально продемонстрували, що швидкість ударної хвилі, яка поширюється всередині клітини, вища, ніж ззовні”, – пояснює Саїті.

“Крім того, наш підхід дозволив нам продемонструвати високошвидкісну фотографію в широкому часовому діапазоні, який включає пікосекундний (одна трильйонна секунди), наносекундний (одна мільярдна секунди) і мілісекундний (одна тисячна секунди) часові масштаби”.

Знімати окремі клітини складно. По-перше, вони дуже крихкі і легко пошкоджуються. Крім того, вони крихітні, що вимагає надзвичайно високої роздільної здатності. Через те, що вони такі маленькі, не потрібно багато часу, щоб щось перемістилося з однієї сторони клітини на іншу. Якщо ви моргнете, ви це пропустите.

Отже, будь-яка система, призначена для зображення поширення ударної хвилі по комірці, повинна відповідати декільком вимогам. Вона повинна функціонувати в неймовірно малих масштабах, як просторових, так і часових. І вона повинна бути здатна робити це, не пошкоджуючи клітину.

Спектральна схема – це оптична схема, яка працює на світлі, а не на електриці. Команда використовує її для генерації лазерних імпульсів, які не пошкоджують клітину, посилаючи їх у клітину, що сидить у посудині з водою, з різними наносекундними інтервалами.

Потім вони використали техніку візуалізації, яка називається послідовно синхронізованою повністю оптичною картографічною фотографією, або STAMP, яка використовує серійну фотографію для створення серії послідовних зображень на коротких часових інтервалах.

Цю камеру використовували для фотографування хвилі під час її проходження через клітину, роблячи кадри з інтервалом в 1,5 наносекунди, а час експозиції для кожного кадру становив 44 пікосекунди. Результати чітко показують фронт хвилі, коли вона рухається від одного боку клітини до іншого.

Зображення лазерної абляції, отримані командою за допомогою нової системи. (Saiki et al., Sci. Adv., 2023)

Ця технологія має застосування не лише в біологічній візуалізації. Дослідники також використали її для зображення ефектів лазерної абляції на склі.

Вони вистрілили фемтосекундними (одна квадрильйонна секунди) лазерними імпульсами в скляний лист і змогли детально спостерігати процес потрапляння лазера в скло, ударну хвилю і абляцію в різних часових масштабах.

За словами команди, ця технологія дає вченим новий інструмент для розуміння мікроскопічних, швидких взаємодій, розбиваючи їх на низку процесів, які можуть допомогти розробити кращі інструменти для управління ними. Це має широкі наслідки.

“Наша технологія дає можливість виявити корисні, але невідомі високошвидкісні явища, дозволяючи нам спостерігати і аналізувати такі надшвидкісні процеси”, – говорить інженер Кейічі Накагава з Токійського університету.

“Далі ми плануємо використовувати нашу техніку візуалізації, щоб візуалізувати, як клітини взаємодіють з акустичними хвилями, подібно до тих, що використовуються в ультразвуковій та ударно-хвильовій терапії. Таким чином ми прагнемо зрозуміти первинні фізичні процеси, які активують подальші терапевтичні ефекти в організмі людини”.