Технология ультразвукового сканирования является весьма универсальным инструментом, широко использующимся в области медицины и различных отраслях промышленности. Несмотря на такую универсальность, ультразвуковое сканирование позволяет получить лишь монохромные изображения, имеющие достаточно ограниченное информационное «наполнение». Однако, исследователи Калифорнийского технологического института разработали способ улучшения технологии ультразвукового сканирования, обеспечивая этим самым средство для более глубокого проникновения в тело человека и цветной визуализации всего до уровня отдельно взятых клеток и даже молекул.
Секрет нового метода заключается в крошечных наполненных газом структурах с белковой оболочкой, получивших название «газовых пузырей». Такие структуры являются прообразами некоторых одноклеточных организмах, живущих в водной среде. В ходе исследований, проведенных в 2014 году, ученые выяснили, что такие газовые пузыри по-особенному отражают звуковые волны во время сканирования, и им удалось с пользой для себя использовать этот эффект.
Основой газовых пузырей является белок GvpC (gas vesicle protein C), который придает им механическую прочность. Помимо этого, структура этого белка позволяет использовать его в качестве материала для изготовления наноструктур определенной формы, более длинных и более прочных, нежели оболочки одноклеточных организмов.
«Конструирование газовых пузырей напоминает создание чего-либо из блоков молекулярного конструктора Lego» — рассказывает Михаил Шапиро (Mikhail Shapiro), ведущий исследователь, — «Мы можем повернуть молекулы белка под различным углом на различных участках поверхности пузырей для того, чтобы изменить их свойства. А получаемое при этом многократное отражение ультразвука под различными углами позволяет нам увидеть в цвете молекулы различных типов».
Возможность тонкой настройки частоты и гармоник колебаний газовых пузырьков в ультразвуковых волнах позволяет ученым проводить точно нацеленное на определенные виды тканей ультразвуковое сканирование. А добавление к исходному белку различных аминокислот позволяет увидеть даже отдельные клетки зарождающихся злокачественных опухолей, которые на этом этапе не обнаруживаются никакими другими методами.
Для получения цветных ультразвуковых изображений, имеющих большое количество цветов и оттенков, исследователи использовали три типа газовых пузырьков, в каждом из которых к исходному белку GvpC были добавлены некоторые дополнительные элементы. Благодаря этому газовые пузырьки разных типов разрушались при определенном давлении со стороны ультразвуковых волн, а результирующее изображение синтезировалось из трех базовых изображений, полученных с небольшим промежутком по времени.
В скором времени исследователи собираются составить набор из аминокислот-регуляторов, включаемых в состав белка GvpC, комбинации которых позволят получать цветное ультразвуковое сканирование не только статичных объектов, таких как клетки, но и более динамичных процессов, протекающих в теле человека. «К примеру, мы будем в состоянии наблюдать за действиями имуноцитов, сражающимися внутри тела с раковыми клетками» — рассказывает Михаил Шапиро, — «И это позволит нам определять эффективность того или иного метода лечения в каждом из конкретных случаев».
Источник:
