Политехники совместно с учеными из Германии и США изучают рентгеновскую томографию развития эмбриона

| 643

Команда ученых Физико-технического института Томского политехнического университета совместно с коллегами из Германии и Америки презентовала для научной общественности метод для изучения развития живых эмбрионов и анализа движения внутренних клеток и структур. Накануне ученые опубликовали совместную статью на эту тему в Nature – одном из самых престижных научных журналов мира. Разработанный учеными метод может быть применен в сфере генетики, молекулярной биологии, а также может помочь в медицине для разработки новых лекарств и исследования заболеваний человека.

Совместная статья «Рентгеновская томография развития эмбриона» была написана командой ученых под руководством исследователей из Технологического института Карлсруэ (KIT). В ней ученые презентовали метод для изучения развития живых эмбрионов и анализа движения внутренних клеток при помощи рентгеновского излучения и метода компьютерной томографии. Вместо использования абсорбции рентгеновских лучей, метод основан на их дифракции.

«Дифракция рентгеновских лучей позволяет визуализировать мягкие ткани с большой разрешающей способностью, – объясняет физик Ральф Хоффман, один из авторов работы из Технологического института Карлсруэ. – В нашей работе нам удалось не только различить индивидуальные клетки и их структуру, но и проанализировать миграцию этих клеток, так же как и динамику клеточных групп, формирующих органы. Дифракция позволяет существенно снизить дозу рентгеновского излучения, что особенно важно при исследовании чувствительных тканей в живых организмах».

Свое исследование ученые сфокусировали на изучении ранней стадии развития эмбриона южноафриканской лягушки Xenopuslaevis. Этот вид животного является важнейшим модельным организмом в эмбриологии, клеточной биологии, токсикологии и нейробиологии. Именно на нем в 1958 году британский ученый, лауреат нобелевской премии по медицине 2012 года Джон Гёрдон провел успешный эксперимент по клонированию.

На ранней стадии развития эмбриона, называемой гаструляцией, из однородного скопления нескольких сотен клеток эмбрион превращается в сложный, многослойный организм, клетки которого в результате дифференциации превращаются в нервную систему, мышцы и внутренние органы. Однако на стадии гаструляции у лягушки Xenopuslaevis эмбрионы непрозрачны и не могут быть исследованы оптическими методами, такими как микроскопия. Поэтому клеточные процессы, происходящие внутри эмбриона, до сих пор остаются слабо изученными.

«С использованием проникающего рентгеновского излучения мы смогли наблюдать движение и взаимодействие отдельных клеток, а также коллективные процессы, такие как формирования отдельных органов, – рассказывает еще один соавтор статьи, зоолог Юбин Кашеф. – Это потрясающая возможность наблюдать эти процессы в живом, развивающемся эмбрионе».

Ученые скомбинировали технологии для визуализации внутреннего строения организмов с алгоритмами автоматизированной обработки и анализа данных для того, чтобы изучить динамику эмбрионального развития и движение клеток.

«Как и сами эмбрионы во время своего развития, данные, полученные с детекторов рентгеновского излучения (серии рентгеновских снимков), проходят множество стадий, – поясняет докторант KIT и сотрудник кафедры общей физики ТПУ Алексей Ершов. – Данные могут быть проанализированы только после сложной обработки, реконструкции и сегментации, применения алгоритмов вычисления динамики движений и трехмерной визуализации».

Разработанный метод может быть применен в сфере генетики, молекулярной биологии, а также сможет ответить на фундаментальные вопросы эмбрионального развития. Кроме того, изучение развития эмбрионов южноафриканской лягушки Xenopuslaevis может помочь в медицине для разработки новых лекарств и исследования заболеваний человека.

Работа велась в рамках русско-немецкого проекта «UFO: Ultrafast X-ray Imaging», участником которого является ТПУ. Целью проекта является создание экспериментальных станций для проведения экспериментов на источниках синхротронного излучения, которые обеспечат выполнение четырехмерной томографии с высоким разрешением, а также возможность оценки и управления экспериментом на основе поступающих данных.

Научное сотрудничество ТПУ с Университетом Карлсруэ началось в 1993 году с совместных исследований в области электроэнергетики и техники высоких напряжений. Сотрудничество развивалось столь динамично, что уже в 1995 году Адольф Иосиф Шваб, директор Института энергетических систем и высоковольтной техники университета Карлсруэ, был избран Почетным профессором ТПУ.

В настоящее время научное сотрудничество ТПУ с Технологическим институтом Карлсруэ осуществляется в области физики, электротехники и электроэнергетики, нанотехнологий, биомедицины и экологии. Большую поддержку совместным работам оказывает исполнительный директор лаборатории применения синхротронного излучения KIT Тило Баумбах.

Студенты с кафедры общей физики ФТИ и кафедры АИКС ИК регулярно проходят стажировки в Институте фотонных исследований и синхротронного излучения KIT. По результатам стажировок студентами ТПУ при соруководстве сотрудников KIT выполняются выпускные квалификационные работы. Выпускники ТПУ обучаются в аспирантуре Института фотонных исследований и синхротронного излучения KIT.

В дальнейшие планы сотрудничества ТПУ и KIT входят развитие академических обменов сотрудниками и студентами, практика и стажировки аспирантов, организация совместных научных мероприятий, и главное, выполнение совместных исследовательских проектов, обеспечивающих решение задач глобального характера.

Справка:

Статья на сайте журнала Nature:

J. Moosmann, A. Ershov, V. Altapova, T. Baumbach, M. S. Prasad, C. LaBonne, X. Xiao, J. Kashef, and R. Hofmann, “X-ray phase-contrast in vivo mictotomography probes new aspects of Xenopus gastrulation“, Nature (2013), doi:10.1038/nature12116.