Сканирующая электронная микроскопия в фундаментальных биомедицинских исследованиях

Научный семинар с международным участием

14 ноября 2014 года в ФГБУ «НИИ глазных болезней» РАМН состоялся научный семинар с международным участием «Сканирующая электронная микроскопия в фундаментальных биомедицинских исследованиях». В программе мероприятия были представлены доклады ведущих экспертов ФГБУ «НИИГБ» РАМН и компании Carl Zeiss. 

Доклады были разделены по тематическим блокам. О новейшем оборудовании в области изучения биологических тканей рассказали представители немецкой компании Carl Zeiss Эрик Хаммел, менеджер по продукции, и доктор Питер Гнаук, старший специалист департамента развития.

Результаты исследований в области микроанализа и новых методов визуализации изложили старшие научные сотрудники ФГБУ «НИИГБ» РАМН И.А. Новиков и И.Г. Грибоедова. И.А. Новиков выступил с докладом «Уточнение базовой кривой энергодисперсионного спектра (SEM-EDS) для качественной оценки изменчивости содержаний Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn в тканях организма», И.Г. Грибоедова — с докладом «Исследование структуры биологических объектов в обратно-рассеянных электронах с применением контрастирования нативных образцов хлоридами редкоземельных элементов».

Хочется сказать несколько слов об идее организации этого мероприятия. Проведение семинара было инициировано компанией «ОПТЭК» — официальным эксклюзивным дистрибьютором компании Carl Zeiss в РФ и странах СНГ в области оптической, атомно-силовой, электронной и гелиевой ионной микроскопии. Необычно, что при этом организатором встречи стал научно-исследовательский институт, для которого разработка прецизионных аналитических методов в микроскопии на первый взгляд не может являться «профильной» задачей. Но это не совсем так.

В 2013—2014 годах в ФГБУ «НИИГБ» РАМН была проведена работа по обновлению парка электронных микроскопов и реструктуризации «группы электронной микроскопии». В частности, был модернизирован имеющийся просвечивающий электронный микроскоп, приобретен новый сканирующий электронный микроскоп производства Carl Zeiss, включая систему химического микроанализа. Кроме этого, было полностью заменено оборудование для подготовки биологического материала к электронной микроскопии. Теперь в распоряжении ФГБУ«НИИГБ» РАМН имеется современный комплекс, позволяющий проводить любой тип пробоподготовки биологических тканей.

Но, пожалуй, самые главные изменения коснулись организации работ в области фундаментальных методов анализа для нужд прикладной офтальмологии. Были привлечены новые специалисты и расширен кадровый состав аналитиков. Модернизированы помещения нового лабораторного блока. В результате этих преобразований возникла новая структура института — «Лаборатория фундаментальных исследований в офтальмологии» и ее подразделение, «Группа электронной микроскопии».

Такой системный подход практически сразу принес свои научные плоды. И если начало реорганизации группы в ФГБУ «НИИГБ» РАМН можно датировать первым полугодием 2013 года, то уже во втором полугодии 2014 года изучение тканей глаза на электронном микроскопе является ключевым в шести научных темах института! Более того, институт не ограничивается только офтальмологической тематикой. Ведется активное взаимодействие с различными научными организациями, работающими в тех направлениях, где необходимо исследование тонкого устройства органического вещества. Разнообразие задач в области электронной микроскопии, стоящих перед группой специалистов НИИ, приводит к возникновению собственных научно-исследовательских работ по созданию новых методов анализа биологических объектов.

Обновленная структура оказывается настолько эффективной, что компания «ОПТЭК» расширяет взаимодействие с ФГБУ «НИИГБ» РАМН и организует совместно с «Лабораторией фундаментальных исследований в офтальмологии» тематический научно-практический референтный центр по использованию электронных микроскопов в биомедицинских направлениях науки.

Поэтому решение о проведении семинара в стенах «офтальмологического» НИИ оказывается более чем оправданным.

Заседание открыл директор института, академик РАН, профессор Сергей Эдуардович Аветисов. Он поприветствовал участников семинара, после чего кратко рассказал о том, что на примере офтальмологии — науки сугубо прикладного клинического толка — можно продемонстрировать усиление фундаментальной нагрузки в исследовательских направлениях при внедрении новых аналитических технологий.

Со стороны компании «ОПТЭК» приветственное слово произнес Максим Семенович Игельник, управляющий компанией в России и СНГ. В его речи неоднократно звучала мысль о том, что созданная на базе ФГБУ «НИИГБ» РАМН лаборатория по своим техническим возможностям является пионером в офтальмологической науке в Российской Федерации. Кроме того, Максим Семенович отметил, что и в мировой офтальмологии аналогичные центры электронной микроскопии весьма немногочисленны. В связи с этим он подчеркнул необходимость расширения взаимодействия между организациями как на уровне различных научных дисциплин, так и на межрегиональном и даже межгосударственном уровнях.

Первые два доклада были представлены зарубежными гостями семинара.

О новых направлениях и способах визуализации 3D-структур поведал в своем докладе приглашенный докладчик Эрик Хаммел. Немецкий эксперт затронул вопросы как электронной, так и световой и корреляционной микроскопии. Свою речь докладчик начал с рассказа и демонстрации лаборатории электронной микроскопии, в которой он работает сам и где уже начинают свой научный путь его дети. Далее докладчик продемонстрировал классические возможности визуализации 3D-структуры клеток с использованием трансмиссионной электронной микроскопии и электронной микроскопии с полевой эмиссией. Эрик Хаммел рассказал об основной теме работы его лаборатории в Мюнхене, а именно об использовании так называемой системы DualBeam («двойной пушки»), которая заключается в том, что в электронном микроскопе используется две колонны — электронный и сфокусированный ионный пучки. Модификация поверхности образцов сфокусированным ионным пучком расширяет границы применения и возможности визуализации сканирующего электронного микроскопа, что в свою очередь позволяет не только изучить и получить информацию о поверхности изучаемого образца, но и подповерхностной структуре. При этом фокусированный ионный пучок используется в качестве «режущего инструмента» объекта исследования, производя серию секционных нарезок с заданным шагом и глубиной, в результате чего можно получить объемное изображение структуры, не выходящей на поверхность. Господин Хаммел представил ряд примеров по исследованиям с использованием данной системы. Основной научный вопрос, который пытался разрешить ученый, касался трехмерной визуализации клеточного аппарата Гольджи. Как раз путем секциональной «нарезки» на 50-60 слоев участка изучаемого объекта удалось показать расположение аппарата Гольджи в объеме клетки. Причем данная процедура проводится довольно быстро, примерно за час, в результате чего можно получить все сегменты по участку и с помощью программного обеспечения представить результаты в виде единого объемного объекта.

Следующим примером в докладе господина Хаммела было применение электронной микроскопии с фокусированным ионным пучком для изучения больших (около 100 микрон) участков биологических объектов на примере образца ткани головного мозга мыши.

Также докладчик затронул вопрос о том, как можно соотнести новые получаемые результаты с коррелятивной микроскопией. Имея в своем распоряжении весь спектр новых приборов — от светового до сканирующего электронного микроскопа, сотрудники Мюнхенской лаборатории с помощью специального держателя для препарата (равнозначно подходящего для всех типов приборов), имеющего корреляционные точки, могут калибровать на каждом из используемых приборов данный препарат, а в дальнейшем и соотносить получаемые результаты. В качестве примера ученый привел исследование по объемной визуализации аппарата Гольджи и митохондрий с автосегментацией.

Не менее интересным было приведенное исследование в области изучения первых признаков болезни Альцгеймера по дендритам клеток позвоночника с использованием двухфотонной микроскопии и FIB-SEM на примере тканей лабораторной мыши.

В докладе Эрик Хаммел касался вопроса и о возможности интеграции частичек диоксида титана в органеллы клетки. При объемной реконструкции клетки с использованием системы EDX-FIB докладчик показал возможность восприятия этих частиц структурами клеток.

В заключение докладчик рассказал и о новой научной теме своей лаборатории — полной 3D-визуализации глаза насекомых с помощью трехсторонних секционных срезов изучаемого объекта. Детальные пошаговые фотографии работы «ножа» на слайде наглядно показывают простоту и легкость работы на образцах различного размера, примерно от 100 микрометров до нескольких миллиметров, с последующей трехмерной визуализацией.