『Тема номера』 Новый прорыв в области фемтосекундных лазеров: «скальпель» в реальном времени для точного манипулирования органеллами!

《22 мая 2025 г.》

Seohee Ma, Bin Dong, Matthew G. Clark, R. Michael Everly, Shivam Mahapatra, Chi Zhang

Обложка этого выпуска Малая наука представляет работу Профессор Чжан Чи от Университет Пердью, под названием "Возмущение динамических субклеточных компартментов в реальном времени и на определенном участке с использованием фемтосекундных импульсов."

Предыстория исследования

• В области наук о жизни глубокое понимание взаимодействия лазеров с внутриклеточными субклеточными структурами имеет решающее значение. Это не только ключевой элемент, позволяющий оптической микроскопии достигать более высокого разрешения и точности изображений, но и позволяет разрабатывать более эффективные терапевтические подходы к фототерапии, а также служит основой для точной регуляции клеточных функций в оптогенетике.
• В настоящее время лазеры непрерывного излучения в основном основаны на механизмах линейного поглощения, которые имеют существенные ограничения в достижении точных манипуляций специфическими внутриклеточными структурами. Хотя фемтосекундные (фс) лазеры с их нелинейными многофотонными характеристиками поглощения могут концентрировать энергию в фокусе лазера, обеспечивая высокую аксиальную точность, существующие методы доставки фемтосекундного лазерного излучения сталкиваются с многочисленными проблемами. С одной стороны, эти методы не позволяют точно нацеливать динамически изменяющиеся молекулярные структуры или автоматически выбирать цели, что затрудняет достижение эффективного возмущения часто движущихся или сложно распределенных биомолекул внутри клеток в режиме реального времени. С другой стороны, существующие методы отделяют доставку лазерного импульса от процесса визуализации, что препятствует синхронной регистрации клеточных реакций во время лазерного воздействия и существенно ограничивает изучение динамических клеточных процессов.

Значимость исследования

• В этом исследовании впервые представлена ​​технология фемтосекундного прецизионного оптического управления в реальном времени (fs-RPOC), которая гениально сочетает лазерную сканирующую микроскопию с механизмом обратной связи с обратной связью для достижения автоматизированного и химически селективного воздействия на субклеточные структуры. Этот прорыв преодолевает многие ограничения традиционных методов и вносит революционные изменения в исследования клеточной биологии.
• Технология fs-RPOC демонстрирует исключительные эксплуатационные преимущества. Она обеспечивает чрезвычайно высокую пространственную точность, позволяя проводить тонкую микрохирургию динамических мишеней на уровне отдельных органелл или даже суборганелл, а также осуществлять точную локальную молекулярную регуляцию. Благодаря применению методов селекции импульсов эта технология позволяет независимо и гибко управлять средней и пиковой мощностью лазера в любой субклеточной структуре, предоставляя мощный инструмент для изучения влияния различных параметров лазера на клетки.
• Используя митохондрии в качестве объекта исследования, технология fs-RPOC позволила совершить значительные открытия. Она выявила ряд процессов, индуцируемых фемтосекундными лазерами, включая образование активных форм кислорода, диффузию H₂O₂ и генерацию плазмы низкой плотности, что приводит к сайт-специфическим молекулярным реакциям в митохондриях. Эти результаты не только открывают новые перспективы и закладывают теоретические основы для понимания взаимодействия фемтосекундных лазеров с субклеточными структурами, но и демонстрируют огромный потенциал технологии fs-RPOC в точной регуляции функций молекул и органелл. Ожидается, что эта технология будет способствовать развитию множества смежных областей, таких как оптическая микроскопия, фототерапия и оптогенетика, предлагая более точные и эффективные технические средства для лечения заболеваний и исследований в области клеточной биологии.

Перспективы исследований

• В будущем технология fs-RPOC открывает широкие перспективы развития и огромный исследовательский потенциал. Расширение сферы её применения позволит использовать её на большем количестве типов клеток и биологических моделей для изучения регуляторного влияния на различные органеллы и биомолекулы, что позволит всесторонне оценить универсальность и применимость технологии в науках о жизни. Это поможет углубить понимание сложных и разнообразных внутриклеточных физиологических процессов и патологических механизмов, предоставляя более широкие мишени и стратегии для диагностики и лечения заболеваний.
• Другим важным направлением будущих исследований является изучение молекулярных механизмов взаимодействия фемтосекундных лазеров с субклеточными структурами. Подробные исследования влияния параметров лазера, таких как длительность импульса, длина волны и частота повторения, на клеточные реакции предоставят надежную теоретическую поддержку для оптимизации технических параметров, тем самым дополнительно повышая точность и эффективность технологии fs-RPOC.
• Интеграция технологии fs-RPOC с другими передовыми методами, такими как секвенирование отдельных клеток (позволяющее анализировать клеточные изменения на генетическом уровне после лазерного воздействия) и сверхвысокоточная визуализация (позволяющая получать более подробную информацию о структуре клеток), позволит проводить комплексный и многоуровневый анализ клеток после лазерного воздействия. Этот многотехнологичный подход позволит более глубоко выявить динамические внутриклеточные изменения и молекулярные регуляторные механизмы.
• Проведение трансляционных исследований технологии fs-RPOC для клинического применения также имеет решающее значение. Доклинические исследования, направленные на оценку безопасности и эффективности этой технологии в таких областях, как лечение рака и нейродегенеративных заболеваний, помогут перевести эту передовую технологию из лабораторных исследований в клиническую практику, открывая новые возможности лечения и улучшая результаты для пациентов.
  
  

Процесс дизайна обложки

• Дизайн обложки тесно связан с темой статьи — использованием фемтосекундных импульсов для достижения возмущений динамических субклеточных компартментов в реальном времени и с учетом особенностей участка. В центре изображения изображен фемтосекундный лазерный луч (представленный в виде луча света), воздействующий на внутреннюю часть клетки. Устройство, излучающее лазер, напоминающее механическую руку, воздействует на определенные внутриклеточные структуры, такие как митохондрии, наглядно демонстрируя технологию высокоточной субклеточной манипуляции, описанную в статье. Изображение внутренних клеточных структур, а также аннотации таких элементов, как активные формы кислорода (АФК) и плазма низкой плотности (ПНП), дополнительно подчёркивают различные эффекты, возникающие при взаимодействии лазера с клеткой, что отражает содержание исследования, представленного в статье.
• В общей цветовой гамме преобладают глубокий синий и сине-фиолетовый тона, создавая глубокую и технологически сложную атмосферу, соответствующую профессиональному имиджу научного журнала. Внутренние структуры клетки выделены более яркими цветами, такими как фиолетовый и оранжевый, привлекая внимание к ключевым органеллам и зонам молекулярных реакций и позволяя читателям быстро сосредоточиться на основном содержании. Лазерный луч представлен светло-голубым цветом, контрастирующим с фоном, что наглядно иллюстрирует путь его распространения и направление действия.