DOI: 10.22184/1993-8578.2024.17.1.26.31

Реакция клеток на механические сигналы играет ключевую роль в жизненно важных биологических процессах, таких как развитие органов, регенерация тканей, старение и развитие рака. Механические свойства, такие как упругость, мягкость, шероховатость, вязкость, показывают, как клетки и ткани реагируют на воздействие и как от этого зависят их биологические функции. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является универсальным инструментом для количественной характеристики механических свойств тканей и клеток в естественных условиях. Данные о механических свойствах биологических объектов, полученные с помощью атомно-силовой и капиллярной микроскопии, могут быть связаны с биологическими процессами и патологиями в тканях.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Под ред. Кавалейро А., Хоссона Д. де
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #1/2024
А.И.Ахметова, Т.О.Советников, Е.О.Зорикова, И.В.Яминский
СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ SUBSTANTIA NIGRA
Просмотры: 778
DOI: 10.22184/1993-8578.2024.17.1.26.31

Реакция клеток на механические сигналы играет ключевую роль в жизненно важных биологических процессах, таких как развитие органов, регенерация тканей, старение и развитие рака. Механические свойства, такие как упругость, мягкость, шероховатость, вязкость, показывают, как клетки и ткани реагируют на воздействие и как от этого зависят их биологические функции. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является универсальным инструментом для количественной характеристики механических свойств тканей и клеток в естественных условиях. Данные о механических свойствах биологических объектов, полученные с помощью атомно-силовой и капиллярной микроскопии, могут быть связаны с биологическими процессами и патологиями в тканях.
Получено: 24.01.2024 г. | Принято: 29.01.2024 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.26.31

Научная статья
СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ SUBSTANTIA NIGRA

А.И.Ахметова1, 2, к.ф.-м.н., мл. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-5115-8030
Т.О.Советников1, 2, магистр, вед. инж., ORCID: 0000-0001-6541-8932
Е.О.Зорикова3, асп., биофизик, ORCID: 0009-0001-1086-6399
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф., ген. дир., ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru

Аннотация. Реакция клеток на механические сигналы играет ключевую роль в жизненно важных биологических процессах, таких как развитие органов, регенерация тканей, старение и развитие рака. Механические свойства, такие как упругость, мягкость, шероховатость, вязкость, показывают, как клетки и ткани реагируют на воздействие и как от этого зависят их биологические функции. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является универсальным инструментом для количественной характеристики механических свойств тканей и клеток в естественных условиях. Данные о механических свойствах биологических объектов, полученные с помощью атомно-силовой и капиллярной микроскопии, могут быть связаны с биологическими процессами и патологиями в тканях.

Ключевые слова: сканирующая капиллярная микроскопия, живые системы, биомеханика, Substantia nigra
Для цитирования: А.И. Ахметова, Т.О. Советников, Е.О. Зорикова, И.В. Яминский. Сканирующая зондовая микроскопия Substantia nigra. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 1. С. 26–31. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2024.17.1.26.31.

Received: 24.01.2024 | Accepted: 29.01.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.1.26.31
Original paper
SCANNING PROBE MICROSCOPY OF SUBSTANTIA NIGRA

A.I.Akhmetova1, 2, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Junior Researcher, ORCID: 0000-0002-5115-8030
T.O.Sovetnikov1 ,2, Master, Leading Engineer, ORCID: 0000-0001-6541-8932
E.O.Zorikova3, Post Graduate, Biophysicist, ORCID: 0009-0001-1086-6399
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Director, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru

Abstract. The response of cells to mechanical signals plays a key role in biological processes such as organ development, tissue regeneration, aging and cancer development. Changes in mechanical properties, including stiffness and viscosity, show how cells and tissues react to stress and how their biological functions depend on it. Scanning probe microscopy (SPM) is a versatile tool for quantitative characterization of the mechanical properties of tissues and cells in vivo. Data on the mechanical properties of biological objects obtained using atomic force and capillary microscopy can be associated with biological processes and pathologies in tissues.
Keywords: scanning capillary microscopy, living systems, biomechanics, Substantia nigra
For citation: A.I. Akhmetova, T.O. Sovetnikov, E.O. Zorikova, I.V. Yaminsky. Scanning probe microscopy of Substantia Nigra. NANOINDUSTRY. 2023. V. 17. No. 1. PP. 26–31. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.17.1.26.31.

ВВЕДЕНИЕ
Сканирующая зондовая микроскопия включает в себя все семейство методик, в которых профиль поверхности регистрируется с помощью зонда: это не только атомно-силовая, но и другие разновидности микроскопии: туннельная, капиллярная, резистивная и др.
В атомно-силовой микроскопии (АСМ) топография и механическая информация образца определяются путем измерения взаимодействия между поверхностью образца и зондом кантилевера в процессе построчного сканирования образца. Субнанометровое разрешение в АСМ позволяет определять механические свойства биологических объектов: жесткость, вязкость и адгезию, благодаря чему можно провести соответствие между свойствами и изображениями поверхностных и субклеточных структур разных видов тканей от больных и здоровых доноров. Сканирующая капиллярная микроскопия является уникальным инструментом, который позволяет строить 3D-морфологию живых клеток и тканей в жидкости с нанометровой точностью.

Количественная визуализация в АСМ и измерение механических свойств тканей и клеток представляют особый интерес для оценки биологических объектов in vivo и, таким образом, требуют неразрушающей подготовки для их сохранения в лабораторных условиях для сбора данных в норме и при заболеваниях [1].
АСМ использовалась при исследовании тканей сердца и аорты с целью выявления механобиологических изменений, связанных с физиологическими и патологическими процессами, такими как регенерация, развитие сердца, сахарный диабет и ишемическая болезнь сердца [2]. Однако, пока подготовка тканей для измерения на микроскопе остается довольно трудной задачей из-за наличия топографических неоднородностей, уникальности методики подготовки образцов для определенного типа тканей.
В сканирующей капиллярной микроскопии (СКМ) в качестве зонда выступает капилляр, заполненный электролитом. Позиционирование капилляра осуществляется по измерению величины ионного тока, проходящего через кончик капилляра. Уникальность капиллярной микроскопии заключается в бесконтактной природе сканирования – капилляр останавливается над поверхностью образца при падении тока на ~0,5% от заданной величины [3].

С помощью СКМ определили изменения морфометрических характеристик эндотелиальных клеток в ходе экспериментальной септикопиемии: эндотелиальные клетки уменьшали площадь адгезии к субстрату, что определялось уменьшением площади проекции клеток, а клеточная мембрана сглаживалась. Однако жесткость эндотелиальных клеток парадоксальным образом не изменилась по сравнению с контролем. С течением времени миграция нейтрофилов приводила к более существенному изменению эндотелиальных клеток: сначала образовывались неглубокие перфорации в мембране, которые достаточно быстро заживлялись, затем формировались стрессовые фибриллы и, наконец, эндотелиальные клетки погибали, и на их поверхности образовывались множественные перфорации [4].
Однако, несмотря на достижения СЗМ [5], полученные данные пока еще сложно использовать в клинической диагностике и медицине.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
С помощью разработанной установки для сканирующей капиллярной микроскопии были исследованы срезы тканей Substantia nigra донора без неврологической патологии и больных Паркинсоном.
Вырезанные фрагменты биоматериала для фиксации помещали в 10%-ный раствор нейтрального формалина, при этом объем фиксирующей жидкости превышал объем фрагментов биоматериа­ла в 10 раз. Фиксацию в формалине проводили при комнатной температуре в течение 24–48 ч. Через одни сутки раствор фиксирующей жидкости меняли.
После фиксации фрагменты биоматериала, извлеченного из фиксирующей жидкости, промывали в проточной воде в течение 2 ч. Далее выполняли гистологическую проводку биоматериала через спирты восходящей концентрации, ксилол-парафин и жидкий парафин автоматизированным способом изопропиловой проводки с использованием автоматического процессора Leica TP 1020. Пропитанные парафином фрагменты биоматериала закладывали в специальные прогретые заливочные формы и заливали на заливочной станции Leica EG 1160 расплавленным при 60 °С коммерческим парафином для формирования парафиновых блоков. В качестве основания для парафинового блока использовали пластиковую гистологическую кассету. Готовые блоки охлаждали.
Из парафиновых блоков на ротационном микротоме Leica RM 2235 изготавливали гистологические срезы толщиной 3–4 мкм.
Готовые срезы (по два с каждого фрагмента ткани) для световой микроскопии после расправления на водяной бане помещали на предметные стекла и высушивали их на нагревательном столике.

Перед окрашиванием образцы освобождали от парафина, проводя по батарее растворителей (ксилол, спирт). Окрашивали гематоксилином и эозином в строгом соответствии с инструкция­ми наборов красителей и по стандартной процедуре. Для заключения гистологических препаратов на окрашенный срез наносили прозрачную консервирующую среду (например, канадский или пихтовый бальзам), не покрывали покровным стеклом.
Исследование проводили на сканирующем капиллярном микроскопе "ФемтоСкан Xi" [6], обработку данных – в программном обеспечении "ФемтоСкан Онлайн" [7].
С помощью капиллярной микроскопии удалось наблюдать 3D-морфологию поверхности ткани и обнаружить визуальные различия в образцах.

Образцы ткани от донора без неврологической патологии характеризуются большей структурированностью поверхности, наличием характерных впадин с кратерами и ярко выраженными краями. Морфология срезов от больных Паркинсоном визуально более однородная, не имеет характерных перепадов с ровными края­ми. При этом общая шероховатость образцов тканей без патологии оказалась выше, чем у больных Паркинсоном: среднее значение шероховатости составило Ra 196 ±33 нм, среднеквадратичное Rq 250±48 нм, аналогичные параметры для образцов срезов от больных Паркинсоном: Ra 143±17 нм, Rq 181±19 нм.
При сравнении морфологии двух образцов заметны характерные различия, но требуется больше статистических данных по исследованию срезов тканей, в том числе полученных с помощью АСМ. Важным показателем данной области Substantia nigra является также проводимость образцов, которую можно измерить с помощью АСМ [8]. Остается нерешенным вопрос связи изменения морфологии ткани больных с конкретными признаками болезни Паркинсона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках работы были получены срезы Substantia nigra от здорового донора и больного Паркинсоном. Исследованы образцы с помощью сканирующей капиллярной микроскопии. Была охарактеризована 3D-морфология срезов. Визуально показано, что срезы ткани донора без неврологической патологии имеют более разветвленную и более шероховатую поверхность по сравнению с образцами от больных Паркинсоном.

БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена по госзаданию при финансовой поддержке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (Регистрационная тема 122091200048-7). ПО "ФемтоСкан Онлайн" предоставлено ООО НПП "Центр перспективных технологий", www.nanoscopy.ru.

ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.

ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Cho D.H., Aguayo S., Cartagena-Rivera A.X. Atomic force microscopy-mediated mechanobiological profiling of complex human tissues. Biomaterials. Elsevier Ltd. Biomaterials, 303, (2023) P. 122389. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2023.122389
Benech J.C., Romanelli G. Atomic force microscopy indentation for nanomechanical characterization of live pathological cardiovascular/heart tissue and cells, Micron 158 (2022), P. 103287. https://doi.org/10.1016/j.micron.2022.103287
Akhmetova A.I., Sovetnikov T.O., Maksimova N.E., Terentyev A.D., Uzhegov A.A., Yaminsky I.V. The heart of the capillary microscope. NANOINDUSTRY. Vol. 16. No. 7–8 (2023), PP. 444–448. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.444.448
Pleskova S.N, Bezrukov N.A., Gorshkova E.N., Bobyk S.Z., Lazarenko E.V. Exploring the Process of Neutrophil Transendothelial Migration Using Scanning Ion-Conductance Microscopy. Cells. (2023) 12(13):1806. https://doi.org/10.3390/cells12131806
Solares S.D., Cartagena-Rivera A.X., Beilstein J. Nanotechnol. (2022) Vol. 13. PP. 1483–1489. https://doi.org/10.3762/bjnano.13.122
Sovetnikov T.O., Akhmetova A.I., Maksimova N.E., Terent’ev A.D., Evtushenko G.S., Rybakov Y.L., Gukasov V.M., Yaminskii I.V. Characteristics of the use of scanning capillary microscopy in biomedical research. Bio-Medical Engineering. Vol. 57, 4 (2023). PP. 250–253. https://doi.org/10.1007/s10527-023-10309-4
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V., Sovetnikov T.O. FemtoScan Online: 3D visualization and processing of bionanoscopy data. NANOINDUSTRY. Vol. 16. No. 7–8 (2023). PP. 450–455. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.450.455
Rourk J.C. Indication of quantum mechanical electron transport in human Substantia nigra tissue from conductive atomic force microscopy analysis. Biosystems. Vol. 179 (2019). PP. 30–38. https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2019.02.003
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art