Преодоление дифракционного предела в безнаклейковой химической визуализации

Оптическая визуализация с сверхвысоким разрешением играет важную роль в изучении микроскопических механизмов биологических процессов. Благодаря технологии сверхвысокоразрешающей визуализации на основе флуоресцентного окрашивания удалось успешно осуществить визуализацию макромолекул, таких как белки, в живых клетках на наноуровне. Однако флуоресцентное мечение требует сложной подготовки и не позволяет эффективно метить низкомолекулярные метаболиты (такие как сахара, липиды и т. д.). Стимулированное рамановское рассеяние (SRS) — это технология визуализации без использования меток, позволяющая осуществлять химическую визуализацию за счет регистрации собственных колебаний химических связей молекул клеток. Однако пространственное разрешение SRS составляет всего около 300 нанометров, чего недостаточно для регистрации тонких наноструктур в клетках. Поэтому вопрос о том, как обеспечить безметочное химическое визуализирование биологических образцов с суперразрешением, по-прежнему остается одной из главных задач научного сообщества.

Недавно группа Хилтона Б. де Агиара из лаборатории Кастлера-Бросселя во Франции опубликовала в журнале “Advanced Imaging” статью о технологии сверхвысокого разрешения под названием Blind-S3, в которой удалось успешно объединить SRS со структурированной микроскопией освещения (SIM). По сравнению с традиционной широкопольной SIM авторы разработали метод визуализации, сочетающий широкопольное и точечное сканирование, основанный на характеристиках SRS. Исследовательская группа использовала спекл-освещение в качестве накачки (Pump) и получала изображения SRS с помощью одного детектора путем лазерного сканирования луча Стоукса. Впоследствии с помощью передовых вычислительных методов была реконструирована серия изображений, полученных при точечном освещении. Такая совместная стратегия «прибор + вычисления» не только решает проблему невозможности регистрации сигналов SRS камерами, но и увеличивает глубину проникновения SRS за счет использования спекл-освещения. Система Blind-S3 обеспечила двукратное повышение разрешения и продемонстрировала свою эффективность при визуализации клеток HeLa и срезов ткани мозга мыши. Данная технология не требует облучения мощным лазером или специальной подготовки образцов и имеет широкие перспективы применения в биологической цитологии.
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в рамках проекта Blind-S3, его разрешение по-прежнему значительно отстает от возможностей флуоресцентной сверхразрешающей визуализации. Это обусловлено не только низким разрешением возбуждения в ближнем инфракрасном диапазоне, но и ограниченной чувствительностью метода SRS. Поэтому новые технологии вибрационной визуализации, позволяющие достичь разрешения менее 100 нанометров при сохранении чувствительности к нефлуоресцентным метаболитам, остаются актуальной областью исследований.