Революционная микроскопия: устройство от ИТМО для исследования клеток

Ученые Санкт-Петербургского университета ИТМО совместно с индустриальным партнером разработали уникальную установку, объединяющую атомно-силовую микроскопию (АСМ) и рамановскую спектроскопию. Устройство позволяет с высокой точностью анализировать клетки и микроорганизмы, предоставляя одновременно топографическую и химическую информацию.

Как работает установка

Новая установка сочетает два мощных метода. Атомно-силовая микроскопия использует нанометровую иглу, которая «ощупывает» поверхность образца, создавая детальную 3D-карту его рельефа. Это позволяет изучать топографию клеток с высочайшей точностью.

Рамановская спектроскопия, в свою очередь, анализирует рассеяние света, определяя химический состав клеточных мембран. Синхронизация этих методов в одной системе обеспечивает комплексный анализ механических, топографических и биохимических свойств клеток. Встроенное программное обеспечение автоматически обрабатывает данные, упрощая интерпретацию результатов и делая технологию доступной даже для пользователей без глубоких знаний в области спектроскопии.

Значение для науки и медицины

Разработка ИТМО имеет огромное значение для биомедицины. Она позволяет исследователям одновременно изучать структуру и химический состав клеточных мембран, что критически важно для разработки биосовместимых материалов, таких как импланты, и для контроля качества клеточных культур. Установка помогает анализировать взаимодействие клеток с различными поверхностями, что открывает новые возможности в регенеративной медицине и создании биоматериалов.

Для России это означает ускорение научных исследований и укрепление позиций в биотехнологиях. Для мирового сообщества устройство предлагает доступное решение для лабораторий, где дорогостоящее оборудование недоступно, что особенно актуально для развивающихся стран.

Перспективы применения

Установка уже интегрирована в автоматизированную мини-лабораторию «химический куб», разработанную ИТМО в 2023 году. Эта портативная система позволяет проводить исследования вне централизованных лабораторий, повышая мобильность и снижая зависимость от крупных научных центров.

Экспортный потенциал устройства высок: при серийном производстве с понятной документацией и интерфейсом оно может стать конкурентоспособным на рынке недорогого научного оборудования. Это делает его привлекательным для университетов и лабораторий в странах с ограниченными бюджетами. В будущем интеграция с искусственным интеллектом может позволить автоматически диагностировать состояние клеток и оценивать биосовместимость материалов, что расширит возможности применения.

С помощью устройства мы можем измерять механические свойства клеточной мембраны, проводить её химический анализ, контролировать качество клеточных культур, изучать взаимодействие клеток с биоматериалами. Всё это помогает изучать свойства материалов и особенности их моделирования, даёт представление о том, как эти материалы взаимодействуют с биологическими системами. Эта информация полезна при разработке материалов для биологических применений, например, при создании биосовместимых покрытий на имплантаты

Алексей Мешков

ведущий разработчик и научный сотрудник Научно-образовательного центра инфохимии ИТМО

Исторический контекст

В последние пять лет в России и мире наблюдается тенденция к созданию комбинированных аналитических систем. Например, существуют устройства, объединяющие сканирующую электронную микроскопию с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией. Однако фокус на химическом составе клеточных мембран с использованием рамановской спектроскопии — относительно новая ниша.

В России активно развиваются биоматериалы для медицинских применений, таких как импланты и регенеративная медицина, что создает спрос на точные аналитические инструменты. Проект «химического куба» ИТМО, начатый в 2023 году, стал частью этой тенденции, демонстрируя рост интереса к портативным лабораториям.

Сравнение с аналогами

Хотя в мире существуют устройства, сочетающие АСМ с оптическими методами, разработка ИТМО выделяется своей универсальностью и доступностью. Она предлагает автоматизированный анализ, что снижает требования к квалификации пользователей, и потенциально более низкую стоимость по сравнению с импортными аналогами. Это делает установку конкурентоспособной на международном рынке, особенно важно для лабораторий с ограниченными ресурсами, где высокоточные, но дорогие системы недоступны.

Заключение

Новая установка ИТМО, объединяющая атомно-силовую микроскопию и рамановскую спектроскопию, представляет собой прорыв в исследовании клеток. Она ускоряет научные разработки в биомедицине и материаловедении, предлагая комплексный анализ клеточных структур в компактной и доступной форме.

Это укрепляет позиции России в биотехнологиях, а мировому сообществу открывает доступ к передовым технологиям для лабораторий с ограниченными бюджетами. Интеграция с цифровыми решениями и потенциал экспорта делают эту разработку важным шагом в развитии российских IT-технологий.