Интравитальная микроскопия – окно в мир биопроцессов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В статье показан потенциал практического использования метода оптической микроскопии дорсальной кожной складки в качестве эффективной технологии диагностики живых систем. Экспериментально доказано, что даже в базовой постановке представленный метод позволяет получать большой объем полезных исследовательских данных в условиях, максимально приближенных к нативным.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. Е. Степанов

Московский педагогический государственный университет; Российский научный центр хирургии им. академика Б. В. Петровского

Email: kamil_karimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0332-1235
Россия, Москва; Москва

А. А. Власов

Московский педагогический государственный университет

Email: kamil_karimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3899-3928
Россия, Москва

П. А. Демина

Московский педагогический государственный университет; Курчатовский комплекс кристаллографии и фотоники, НИЦ «Курчатовский институт»; Институт биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова Российской академии наук

Email: kamil_karimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6349-2979
Россия, Москва; Москва; Москва

Р. А. Акасов

Московский педагогический государственный университет; Российский научный центр хирургии им. академика Б. В. Петровского; Курчатовский комплекс кристаллографии и фотоники, НИЦ «Курчатовский институт»; Институт биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова Российской академии наук; Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Email: kamil_karimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6486-8114
Россия, Москва; Москва; Москва; Москва; Москва

Г. Бабаева

Российский университет дружбы народов

Email: kamil_karimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5781-7925

НИИ молекулярной и клеточной медицины

Россия, Москва

В. И. Юсупов

Курчатовский комплекс кристаллографии и фотоники, НИЦ «Курчатовский институт»; Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, Троицкое обособленное подразделение

Email: kamil_karimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9438-6295
Россия, Москва; Москва, Троицк

Т. В. Егорова

Московский педагогический государственный университет; Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, Троицкое обособленное подразделение

Email: kamil_karimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3346-3242
Россия, Москва; Москва, Троицк

К. Р. Каримуллин

Московский педагогический государственный университет; Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, Троицкое обособленное подразделение

Автор, ответственный за переписку.
Email: kamil_karimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6799-2479
Россия, Москва; Москва, Троицк

А. Н. Генералова

НИЦ «Курчатовский институт»; Институт биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова Российской академии наук

Email: kamil_karimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9646-1693

Курчатовский комплекс кристаллографии и фотоники

Россия, Москва; Москва

А. В. Наумов

Московский педагогический государственный университет; Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, Троицкое обособленное подразделение

Email: kamil_karimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7938-9802
Россия, Москва; Москва, Троицк

Е. В. Хайдуков

Московский педагогический государственный университет; Российский научный центр хирургии им. академика Б. В. Петровского; Курчатовский комплекс кристаллографии и фотоники, НИЦ «Курчатовский институт»; Институт биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова Российской академии наук; Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Email: kamil_karimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3900-2949
Россия, Москва; Москва; Москва; Москва; Москва

Список литературы

  1. Hu B. C. The human body at cellular resolution: the NIH Human Biomolecular Atlas Program. Nature. 2019; 574(7777):187–92. doi: 10.1038/s41586-019-1629-x.
  2. Naumov A. V. Low-temperature spectroscopy of organic molecules in solid matrices: from the Shpol’skii effect to laser luminescent spectromicroscopy for all effectively emitting single molecules. Phys. Usp. 2013;183(6):633–52. https://doi.org/10.3367/ufne.0183.201306f.0633 Наумов А. В. Спектроскопия органических молекул в твердых матрицах при низких температурах: от эффекта Шпольского к лазерной люминесцентной спектромикроскопии всех эффективно излучающих одиночных молекул. УФН. 2013;183(6):633–52. https://doi.org/10.3367/UFNr.0183.201306f.0633.
  3. Eremchev I. Y., Lozing N. A., Baev A. A., Tarasevich A. O., Gladush M. G., Rozhentsov A. A. et al. Luminescence Microscopy of Single Quantum Dot Pairs with Nanometer Spatial Resolution. JETP Letters. 2018;108(1):30–37. https://doi.org/10.1134/S0021364018130076 Еремчев И. Ю., Лозинг Н. А., Баев А. А., Тарасевич А. О., Гладуш М. Г., Роженцов А. А. и др. Люминесцентная микроскопия одиночных пар квантовых точек с нанометровым пространственным разрешением. Письма в ЖЭТФ. 2018;108(1):26–34. https://doi.org/10.1134/S0370274X18130064.
  4. Naumov A. V., Gorshelev A. A., Gladush M. G., Anikushina T. A., Golovanova A. V., Köhler J., Kador L. Micro–Refractometry and Local–Field Mapping with Single Molecules. Nano Letters. 2018:18(10)6129–34. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b01753.
  5. Karimullin K. R., Arzhanov A. I., Eremchev I. Y., Kulnitskiy B. A., Surovtsev N. V., Naumov A. V. Combined photon–echo, luminescence and Raman spectroscopies of layered ensembles of colloidal quantum dots. Laser Physics. 2019;29(12). https://doi.org/10.1088/1555–6611/ab4bdb.
  6. Karimullin K. R., Arzhanov A. I., Surovtsev N. V., Naumov A. V. Electron–Phonon Interaction in Composites with Colloidal Quantum Dots: A Study by Luminescence Spectroscopy and Raman Scattering. Optics and Spectroscopy. 2023;131(10)995–999. https://doi.org/10.1134/S0030400X2310010 Каримуллин К. Р., Аржанов А. И., Суровцев Н. В., Наумов А. В. Электрон-фононное взаимодействие в композитах с коллоидными квантовыми точками: исследование методами люминесцентной спектроскопии и комбинационного рассеяния света. Оптика и спектроскопия. 2022;130(1):146–150. https://doi.org/10.21883/os.2022.01.51902.42–21.
  7. Eskova A. E., Arzhanov A. I., Magaryan K. A., Karimullin K. R., Naumov A. V. Effect of Concentration on the Spectral–Luminescent Properties of Quantum Dots in Colloidal Solutions. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2020;84(1):40–3. https://doi.org/10.3103/S1062873820010116). Еськова А. Е., Аржанов А. И., Магарян К. А., Каримуллин К. Р., Наумов А. В. Исследование влияния концентрации квантовых точек в коллоидном растворе на его спектрально–люминесцентные свойства. Известия РАН. Серия физическая. 2020;84(1):48–51. https://doi.org/10.31857/S036767652001012
  8. Arzhanov A. I., Savostianov A. O., Magaryan K. A., Karimullin K. R., Naumov A. V. Photonics of semiconductor quantum dots: Applied aspects. Photonics Russia. 2022;16(2): 96–113. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.2.96.112 Аржанов А. И., Савостьянов А. О., Магарян К. А., Каримуллин К. Р., Наумов А. В. Фотоника полупроводниковых квантовых точек: прикладные аспекты. Фотоника. 2022;16(2): 96–113. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.2.96.112
  9. Generalova A. N., Demina P. A., Akasov R. A., Khaydukov K. V. Photopolymerization in 3D printing of tissue–engineered constructs for regenerative medicine. Russian Chemical Reviews. 2023;92(2): RCR5068. https://doi.org/10.57634/RCR5068 Генералова А. Н., Демина П. А., Акасов Р. А., Хайдуков Е. В. Фотополимеризация в 3D–печати тканеинженерных конструкций для регенеративной медицины. Успехи химии. 2023;92(2): RCR5068. https://doi.org/10.57634/RCR5068
  10. Demina P. A., Khaydukov K. V., Rocheva V. V., Akasov R. A., Generalova A. N., Khaydukov E. V. Technology of Infrared Photopolymerization. 2022. Photonica Russia. 2022;16(8)600–2. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.8.600.602. Демина П. А., Хайдуков К. В., Рочева В. В., Акасов Р. А., Генералова А. Н., Хайдуков Е. В. Технология инфракрасной фотополимеризации. Фотоника. 2022;16(8)600–2. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.8.600.602.
  11. Bugay A. N. Biological Action of Intense Laser Pulses at the Molecular Level. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2024;88(6)842–6. https://doi.org/10.1134/S1062873824706718.
  12. Leontyev A. V., Nurtdinova L. A., Mityushkin E. O., Shmelev A. G., Zharkov D. K., Andrianov V. V., Muranova L. N., Gainutdinov Kh.L., Nikiforov V. G. Testing Nanosensors Based on NaYF4: Yb, Er for Measuring Temperature in Biological Media. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2024;88(6):853–8. https://doi.org/10.1134/S1062873824706731.
  13. Eremchev M. Yu. Second Harmonic Generation as a Noninvasive Method to Study Molecular Processes on the Surface of Lipid Membranes (Brief Review). JETP Letters. 2023;118(4):288–95. https://doi.org/10.1134/S0021364023602245. Еремчев М. Ю. Генерация второй гармоники как неинвазивный метод исследования молекулярных процессов на поверхности липидных мембран (миниобзор). Письма в ЖЭТФ. 2023;118(4):282–90. https://doi.org/10.31857/S1234567823160103
  14. Starodubtsev N. F., Denisenko V. I., Karimullin K. R., Kurdoglian M. S., Lysenko S. A., Naumov A. V., Tagabilev D. G., Yuryshev N. N. Theoretical substantiation of the thermal mechanism of local oxygenation of biological tissue under the action of low-intensity near-infrared radiation. Medical physics. 2023;4:78–83. https://doi.org/10.52775/1810-200X-2023-99-100-4-78-83. Стародубцев Н. Ф., Денисенко В. И., Каримуллин К. Р., Курдоглян М. С., Лысенко С. А., Наумов А. В., Тагабилев Д. Г., Юрышев Н. Н. Теоретическое обоснование теплового механизма локальной оксигенации биологической ткани под действием низкоинтенсивного излучения ближнего ИК диапазона. Медицинская физика. 2023;4:78–83. https://doi.org/10.52775/1810-200X-2023-99-100-4-78-83.
  15. Turchin I. V. Methods of biomedical optical imaging: from subcellular structures to tissues and organs. Phys. Usp. 2016;59(5):487–501. https://doi.org/10.3367/UFNe.2015.12.037734. Турчин И. В. Методы оптической биомедицинской визуализации: от субклеточных структур до тканей и органов. Успехи физических наук. 2016;186(5):550–67. https://doi.org/10.3367/UFNr.2015.12.037734
  16. Smith A. M., Mancini M. C., Nie S. Bioimaging: second window for in vivo imaging. Nature Nanotechnology. 2009;4(11):710–1. https://doi.org/10.1038/nnano.2009.326.
  17. Coste A., Oktay M. H., Condeelis J. S., Entenberg D. Intravital Imaging Techniques for Biomedical and Clinical Research. Cytometry A. 2020;97(5)448–57. https://doi.org/10.1002/cyto.a.23963.
  18. Kienle K., Lammermann T. Neutrophil swarming: an essential process of the neutrophil tissue response. Immunol Review. 2016;273(1):76–93. https://doi.org/10.1111/imr.12458.
  19. Jing Y., Zhang C., Yu B., Lin D., Qu J. Super–Resolution Microscopy: Shedding New Light on In Vivo Imaging. Frontiers in Chemistry. 2021;9:746900. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.746900.
  20. Laschke M. W., Menger M. D. The dorsal skinfold chamber: A versatile tool for preclinical research in tissue engineering and regenerative medicine. European Cells & Materials. 2016;32:202–15. https://doi.org/10.22203/eCM.v032a13.
  21. Stepanov M. E., Vlasov A. A., Vinokurov I. A., Tagabilev D. G., Kotenko K. V., Khaydukov E. V., Naumov A. V., Yusupov V. I. Device for fixing a small laboratory animal with a dorsal camera installed during microscopic examination. Application for the invention of the Russian Federation. 2024. No. 2024127009. Степанов М. Е., Власов А. А., Винокуров И. А., Тагабилев Д. Г., Котенко К. В., Хайдуков Е. В., Наумов А. В., Юсупов В. И. Устройство для фиксации мелкого лабораторного животного с установленной дорсальной камерой при проведении микроскопического исследования. Заявка на изобретение РФ. 2024. № 2024127009.
  22. Xie W., Lorenz M., Poosch F., Palme R., Zechner D., Vollmar B., Grambow E., Struder D. 3D–printed lightweight dorsal skin fold chambers from PEEK reduce chamber–related animal distress. Scientific Reports. 2022;12(1):11599. https://doi.org/10.1038/s41598-022-13924-5.
  23. Sckell A., Leunig M. The Dorsal Skinfold Chamber: Studying Angiogenesis by Intravital Microscopy. In: Murray C., Martin S. (eds) Angiogenesis Protocols. Methods in Molecular Biology. 2009;467:305–17. https://doi.org/10.1007/978-1-59745-241-0_19.
  24. Johnson J. M., Kellogg D. L. Jr. Local thermal control of the human cutaneous circulation. Journal of Applied Physiology. 2010;109(4):1229–38. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00407.2010.
  25. Jarvilehto M., Tuohimaa P. Vasa vasorum hypoxia: initiation of atherosclerosis. Medical Hypotheses. 2009;73(1):40–1. https://doi.org/10.1016/j.mehy.2008.11.046.
  26. Kuhel D. G., Konaniah E. S., Basford J. E., McVey C., Goodin C. T., Chatterjee T. K., Weintraub N. L., Hui D. Y. Apolipoprotein E2 accentuates postprandial inflammation and diet–induced obesity to promote hyperinsulinemia in mice. Diabetes. 2013;62(2):382–91. https://doi.org/10.2337/db12-0390.
  27. Honkura N., Richards M., Lavina B., Sainz–Jaspeado M., Betsholtz C., Claesson–Welsh L. Intravital imaging–based analysis tools for vessel identification and assessment of concurrent dynamic vascular events. Nature Communications. 2018;9(1):2746. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04929-8.
  28. Giampetraglia M., Weigelin B. Recent advances in intravital microscopy for preclinical research. Current Opinion in Chemical Biology. 2021;63:200–8. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2021.05.010.
  29. Ishii M. Intravital imaging technology reveals immune system dynamics in vivo. Allergology International. 2016;65(3):225–7. https://doi.org/ 10.1016/j.alit.2016.05.001.
  30. Lin Q., Choyke P. L., Sato N. Visualizing vasculature and its response to therapy in the tumor microenvironment. Theranostics. 2023;13(15):5223–46. https://doi.org/10.7150/thno.84947.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема эксперимента: мышь с установленной дорсальной камерой фиксируется на специальном столике, который устанавливается в микроскопе для проведения исследования. Для реализации этого подхода можно использовать стандартный оптический микроскоп, применяемый для исследования клеток и гистологии тканей

Скачать (127KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изображение, созданное методом светлопольной микроскопии в белом свете, биоткани живой мыши в окне наблюдения дорсальной камеры: а) – полученное при низком увеличении (красными точками отмечено последовательное ветвление крупного сосуда, зелеными точками – сосуды vasa vasorum, синими точками – более глубокий слой адипозной (жировой) ткани; b) – полученное при более высоком увеличении (красным пунктиром отмечены элементы адипозной ткани (на вставке – статистика распределения по размерам отдельных адипоцитов)

Скачать (172KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изображение участка сосудистой сети при малом увеличении: a) – светлопольное; b) – флуоресцентное (окраска с помощью флуоресцентного красителя Cy-5-amine)

Скачать (288KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Определение траекторий движения отдельных клеток крови, непрерывно циркулирующих по артериолам и капиллярам: а) – изображение, полученное во время эксперимента, иллюстрирует положение индивидуальных окрашенных компонентов кровотока; b) – суммарное наблюдение (разверстка кадров за 30 секунд) за положением маркированных флюоресцентным красителем клеток крови (каждая фиолетовая окружность соответствует положению клеток, определяемых на отдельных кадрах рис. 4а)

Скачать (149KB)
Метаданные

© Степанов М.Е., Власов А.А., Демина П.А., Акасов Р.А., Бабаева Г., Юсупов В.И., Егорова Т.В., Каримуллин К.Р., Генералова А.Н., Наумов А.В., Хайдуков Е.В., 2024