eng
Выпуск #7-8/2021
И.В.Яминский, А.И.Ахметова
Построение, обработка и анализ трехмерных изображений в биомедицинской сканирующей зондовой микроскопии
Построение, обработка и анализ трехмерных изображений в биомедицинской сканирующей зондовой микроскопии
Просмотры: 1336
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.7-8.430.433
Сканирующая зондовая микроскопия становится важным и информативным инструментом в биомедицине и медицинской диагностике благодаря разработке эффективных алгоритмов обработки данных. Программное обеспечение позволяет проводить измерения размеров, объемов, площади объектов, контурных длин, углов кристаллических структур, шероховатости поверхности, форм-фактора, коэффициентов трения и упругости, величины адгезии. Приведены данные визуализации бактериальных и клеточных структур и результаты их последующей характеризации.
Сканирующая зондовая микроскопия становится важным и информативным инструментом в биомедицине и медицинской диагностике благодаря разработке эффективных алгоритмов обработки данных. Программное обеспечение позволяет проводить измерения размеров, объемов, площади объектов, контурных длин, углов кристаллических структур, шероховатости поверхности, форм-фактора, коэффициентов трения и упругости, величины адгезии. Приведены данные визуализации бактериальных и клеточных структур и результаты их последующей характеризации.
Теги: adhesion bacterial and cell structures form factor scanning robe microscope адгезия бактериальные и клеточные структуры сканирующая зондовая микроскопия
ПОСТРОЕНИЕ, ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ТРЕХМЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В БИОМЕДИЦИНСКОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
3D-IMAGE CONSTRUCTION, PROCESSING AND ANALYSIS IN BIOMEDICAL SCANNING PROBE MICROSCOPY
И.В.Яминский1, 2, 3, д.ф.-м.н., профессор МГУ имени М.В.Ломоносова, физический и химический факультеты, генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, вед. науч. сотр. ИНЭОС РАН (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0002-5115-8030) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Leading Sci. of INEOS RAS, A.I.Akhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.7-8.430.433
Получено: 26.11.2021 г.
Сканирующая зондовая микроскопия становится важным и информативным инструментом в биомедицине и медицинской диагностике благодаря разработке эффективных алгоритмов обработки данных. Программное обеспечение позволяет проводить измерения размеров, объемов, площади объектов, контурных длин, углов кристаллических структур, шероховатости поверхности, форм-фактора, коэффициентов трения и упругости, а также величины адгезии. В статье приведены данные по визуализации бактериальных и клеточных структур и результаты их последующей количественной характеризации.
The scanning probe microscopy is becoming an important and informative tool in biomedicine and medical diagnostics due to the development of efficient data processing algorithms. The software allows measuring sizes, volumes, object areas, contour lengths, angles of crystal structures, surface roughness, form factor, friction and elasticity coefficients, and adhesion values. The data on the imaging of bacterial and cellular structures and the results of their subsequent quantitative description are presented in this paper.
ВВЕДЕНИЕ
В биомедицинской сканирующей зондовой микроскопии построение, обработка и анализ данных является ключевым, ответственным и весьма трудоемким процессом. Вирусы, бактерии, клетки, живая материя и другие биологические образцы являются сложными объектами, требующими бережного отношения на всех этапах пробоподготовки, измерений, количественного анализа, оформления полученных результатов, составления отчетов, приготовления презентаций, статей и другого иллюстративного материала. По этой причине программное обеспечение, обладая всеми необходимыми функциями, должно иметь богатый, дружественный и интуитивно понятный интерфейс для того, чтобы эти данные были эффективно использованы в решении задач биомедицинской диагностики.
АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА 3D-ИЗОБРАЖЕНИЙ
При визуализации биообъектов c помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), например, бактерий Escherichia coli (рис.1), помимо 3D-изображения, одновременно можно получить большой массив количественных данных – размеры, объем, площадь, контурную длину, шероховатость, форм-фактор, коэффициенты трения и упругости, а также величину адгезии [1]. Аналогичную многофакторную информацию можно получить при изучении вирусов, клеток крови (рис.2), сетей нейронов и различных тканей живых организмов. Измерения можно проводить как в жидкости, так и на воздухе, что также дает оценку степени усадки, которой подвергаются биообъекты в результате высушивания и обезвоживания.
В процессе измерений, в соответствии с размерами частиц, можно построить гистограмму. Например, при измерении вирусных частиц разброс размеров не всегда связан с погрешностью измерений, которая составляет не более нескольких нанометров, а представляет собой реальное изменение размера частиц, образующихся при инфицировании клетки [2].
Современные возможности по обработке 3D-изображений биомедицинской микроскопии легко продемонстрировать с помощью программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн" [4].
Недавно на примере данных атомно-силовой микроскопии белковых наночастиц мы показали, что для поиска наночастиц, размеры которых сравнимы с уровнем шума, более точный результат дает алгоритм с использованием нейронной сети [5].
В биомедицинской микроскопии измерения проводятся на живых бактериях и клетках в естественной среде. Процесс начального этапа инфицирования клетки представляет особый интерес. В работе [6] был визуализирован рецепторный слой на поверхности клеток в процессе связывания вируса в первые миллисекунды контакта "вирус – клетка" с высоким разрешением (< 50 нм). В режиме силовой спектроскопии АСМ показывает взаимодействия отдельных пептидов, белков и живых клеток [7].
ВЫВОДЫ
Анализ силовых кривых позволяет получить данные о механических свойствах биологического образца, касающиеся адгезии, жесткости, деформации, модуля упругости и рассеяния энергии. Модификация кантилевера позволяет обнаруживать специфические биохимические взаимодействия [8].
Таким образом, биомедицинская сканирующая зондовая микроскопия остается полезным инструментом в исследованиях, прекрасно дополняя альтернативные методы измерения и предоставляя исследователям уникальную информацию.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005, РФФИ, проект № 20-32-90036. Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям, проект № 71108, договор 0071108.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. High resolution imaging of viruses: scanning probe microscopy and related techniques. Methods, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ymeth.2021.06.011
Kuznetsov Y.G., Gurnon J.R., Van Etten J.L., McPherson A. Atomic force microscopy investigation of a chlorella virus, PBCV-1. J Struct Biol 149, 256–263 (2005).
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. FemtoScan Online software in virus research. Nanoindustry. т. 14, № 1 (103), с. 62–67, 2021. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.1.62.67
Электронный источник: www.nanoscopy.ru
Yaminsky I.V., Sinitsyna O.V., Vorobiev M.M. Automated search for nanoparticles in probe microscopy images using a neural network. Nanoindustry, т. 14, № 5, с. 276–280, 2021. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.5.276.280
Alsteens D., Newton R., Schubert R. et al. Nanomechanical mapping of first binding steps of a virus to animal cells. Nature Nanotech 12, 177–183 (2017). https://doi.org/10.1038/nnano.2016.228
Müller D., Dufrêne Y. Atomic force microscopy as a multifunctional molecular toolbox in nanobiotechnology. Nature Nanotech 3, 261–269 (2008). https://doi.org/10.1038/nnano.2008.100
Hinterdorfer P., Dufrene Y.F. Detection and localization of single molecular recognition events using atomic force microscopy. Nat. Methods 3, p. 347–355, 2006. https://doi.org/10.1038/nmeth871
Декларация о конфликте интересов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
3D-IMAGE CONSTRUCTION, PROCESSING AND ANALYSIS IN BIOMEDICAL SCANNING PROBE MICROSCOPY
И.В.Яминский1, 2, 3, д.ф.-м.н., профессор МГУ имени М.В.Ломоносова, физический и химический факультеты, генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, вед. науч. сотр. ИНЭОС РАН (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0002-5115-8030) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Leading Sci. of INEOS RAS, A.I.Akhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.7-8.430.433
Получено: 26.11.2021 г.
Сканирующая зондовая микроскопия становится важным и информативным инструментом в биомедицине и медицинской диагностике благодаря разработке эффективных алгоритмов обработки данных. Программное обеспечение позволяет проводить измерения размеров, объемов, площади объектов, контурных длин, углов кристаллических структур, шероховатости поверхности, форм-фактора, коэффициентов трения и упругости, а также величины адгезии. В статье приведены данные по визуализации бактериальных и клеточных структур и результаты их последующей количественной характеризации.
The scanning probe microscopy is becoming an important and informative tool in biomedicine and medical diagnostics due to the development of efficient data processing algorithms. The software allows measuring sizes, volumes, object areas, contour lengths, angles of crystal structures, surface roughness, form factor, friction and elasticity coefficients, and adhesion values. The data on the imaging of bacterial and cellular structures and the results of their subsequent quantitative description are presented in this paper.
ВВЕДЕНИЕ
В биомедицинской сканирующей зондовой микроскопии построение, обработка и анализ данных является ключевым, ответственным и весьма трудоемким процессом. Вирусы, бактерии, клетки, живая материя и другие биологические образцы являются сложными объектами, требующими бережного отношения на всех этапах пробоподготовки, измерений, количественного анализа, оформления полученных результатов, составления отчетов, приготовления презентаций, статей и другого иллюстративного материала. По этой причине программное обеспечение, обладая всеми необходимыми функциями, должно иметь богатый, дружественный и интуитивно понятный интерфейс для того, чтобы эти данные были эффективно использованы в решении задач биомедицинской диагностики.
АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА 3D-ИЗОБРАЖЕНИЙ
При визуализации биообъектов c помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), например, бактерий Escherichia coli (рис.1), помимо 3D-изображения, одновременно можно получить большой массив количественных данных – размеры, объем, площадь, контурную длину, шероховатость, форм-фактор, коэффициенты трения и упругости, а также величину адгезии [1]. Аналогичную многофакторную информацию можно получить при изучении вирусов, клеток крови (рис.2), сетей нейронов и различных тканей живых организмов. Измерения можно проводить как в жидкости, так и на воздухе, что также дает оценку степени усадки, которой подвергаются биообъекты в результате высушивания и обезвоживания.
В процессе измерений, в соответствии с размерами частиц, можно построить гистограмму. Например, при измерении вирусных частиц разброс размеров не всегда связан с погрешностью измерений, которая составляет не более нескольких нанометров, а представляет собой реальное изменение размера частиц, образующихся при инфицировании клетки [2].
Современные возможности по обработке 3D-изображений биомедицинской микроскопии легко продемонстрировать с помощью программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн" [4].
Недавно на примере данных атомно-силовой микроскопии белковых наночастиц мы показали, что для поиска наночастиц, размеры которых сравнимы с уровнем шума, более точный результат дает алгоритм с использованием нейронной сети [5].
В биомедицинской микроскопии измерения проводятся на живых бактериях и клетках в естественной среде. Процесс начального этапа инфицирования клетки представляет особый интерес. В работе [6] был визуализирован рецепторный слой на поверхности клеток в процессе связывания вируса в первые миллисекунды контакта "вирус – клетка" с высоким разрешением (< 50 нм). В режиме силовой спектроскопии АСМ показывает взаимодействия отдельных пептидов, белков и живых клеток [7].
ВЫВОДЫ
Анализ силовых кривых позволяет получить данные о механических свойствах биологического образца, касающиеся адгезии, жесткости, деформации, модуля упругости и рассеяния энергии. Модификация кантилевера позволяет обнаруживать специфические биохимические взаимодействия [8].
Таким образом, биомедицинская сканирующая зондовая микроскопия остается полезным инструментом в исследованиях, прекрасно дополняя альтернативные методы измерения и предоставляя исследователям уникальную информацию.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005, РФФИ, проект № 20-32-90036. Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям, проект № 71108, договор 0071108.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. High resolution imaging of viruses: scanning probe microscopy and related techniques. Methods, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ymeth.2021.06.011
Kuznetsov Y.G., Gurnon J.R., Van Etten J.L., McPherson A. Atomic force microscopy investigation of a chlorella virus, PBCV-1. J Struct Biol 149, 256–263 (2005).
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. FemtoScan Online software in virus research. Nanoindustry. т. 14, № 1 (103), с. 62–67, 2021. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.1.62.67
Электронный источник: www.nanoscopy.ru
Yaminsky I.V., Sinitsyna O.V., Vorobiev M.M. Automated search for nanoparticles in probe microscopy images using a neural network. Nanoindustry, т. 14, № 5, с. 276–280, 2021. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.5.276.280
Alsteens D., Newton R., Schubert R. et al. Nanomechanical mapping of first binding steps of a virus to animal cells. Nature Nanotech 12, 177–183 (2017). https://doi.org/10.1038/nnano.2016.228
Müller D., Dufrêne Y. Atomic force microscopy as a multifunctional molecular toolbox in nanobiotechnology. Nature Nanotech 3, 261–269 (2008). https://doi.org/10.1038/nnano.2008.100
Hinterdorfer P., Dufrene Y.F. Detection and localization of single molecular recognition events using atomic force microscopy. Nat. Methods 3, p. 347–355, 2006. https://doi.org/10.1038/nmeth871
Декларация о конфликте интересов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
