Конфокальная микроскопия. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия. Z-серия и трехмерные изображения

В настоящей главе будут рассмотрены основные принцы, устройство, применение конфокального лазерного сканирующего микроскопа (КЛСМ) на примере приборов фирмы Leica. Принцип КЛСМ – регистрация светового потока, исходящего из фокальной плоскости объектива при совпадении фокусов, т. е. диафрагма детектора должна быть позиционирована так, чтобы ее изображение точно совпало с фокусом освещающего объект света. В качестве источника освещения применяются лазеры и чувствительные детекторы для получения изображения.

Основная особенность КЛСМ состоит в возможности получения послойного изображения исследуемого объекта (например, клетки) с высоким разрешением и с низким уровнем шумов. Достигается это путем пошагового сканирования объекта сфокусированным пучком света от когерентного источника или столиком, использованием специфических флуоресцентных зондов и специальных методов ограничения световых потоков.

Системы сканирования в КЛСМ можно классифицировать следующим образом.

1. Сканирование лучом.

А) Зеркальные системы: однозеркальные, двухзеркальные, резонансные магнитоэлектрические.

Б) Световолоконные системы: одноволоконные, многоволоконные.

В) Сканирование объективом:

· пьезоэлектрическое перемещение объектива по осям Х, Y;

· пьезоэлектрическое перемещение объектива по оси Z.

Г) Акустооптические дефлекторы луча: два акустооптических дефлектора для сканирования по осям Х и Y.

Д) Дисковые системы:

· односпиральные односторонние и двухсторонние;

· многоспиральные односторонние и двухсторонние.

Е) Комбинированные системы: акустооптический дефлектор по оси Yи сканирование зеркалом по оси Х.

2. Сканирование столиком.

А) Шаговый привод: сканирующий столик с шаговыми двигателями по осям Х, Y, Z.

Б) Комбинированный привод: сканирующий столик с шаговым двигателем по осям X, Yи пьезоэлектрический привод по оси Z.

Рис. 5. Принципиальная схема работы КЛСМ.

1 - сканирующий столик; 2 - исследуемый образец; 3, 7 - объективы; 4 - сканирующее устройство; 5 - светоделительная пластина; 6 - луч света от лазера; 8, 12 - изображение точек В и С; 9 - игольчатая диафрагма; 10 - изображение точки А в центре игольчатой диафрагмы; 11 - приемник излучения; 13, 15 - свечение точек В и С, находящихся вне фокуса объектива 3; 14 - свечение точки А, находящейся в фокусе объектива 3.

Световой поток возбуждения 6 от лазерного источника поступает через светоделительную пластину 5, сканирующую систему 4 на объектив 3 и фокусируется в точку А плоскости исследуемого препарата (например, клетки), находящейся в фокусе. Полагаем, что внутриклеточные структуры связаны с флуоресцентными зондами и точку А фокусировки пучка можно рассматривать как точечный источник света, поток флуоресценции от которого через объектив 3, светоделительную пластину 5, объектив 7 фокусируется в плоскости игольчатой диафрагмы 9 ("pinhole") и регистрируется фотодетектором 11. Освещенность потоком возбуждения фрагментов препарата, лежащих вне фокуса объектива вдоль оптической оси (точки В и С), ниже, чем в точке А. Следовательно, составляющая освещенности мишени детектора от точек В и С может быть существенно уменьшена. Потоки флуоресценции, исходящие от точек В и С, лежащих вне фокуса, ограничиваются точечной диафрагмой и на детектор не попадают, либо попадает их малая часть. Таким образом, при сканировании препарата в плоскости XY детектором регистрируется сигнал, уровень которого определяется расстоянием от плоскости сканирования вдоль координаты Z. Совмещение фокуса объектива 3 с плоскостью сканирования и фокуса объектива 7 с игольчатой диафрагмой отражено в термине "конфокальность". Пошаговое перемещение плоскости сканирования вдоль оси Z позволяет получить серию контрастных послойных изображений и реконструировать внутреннюю трехмерную структуру (3-D) исследуемого объекта. Качество изображения, разрешение в плоскости XY и вдоль оси Z зависит от качества оптики, качества сканирующих систем, размеров и точности изготовления точечной диафрагмы, жесткости конструкции, эффективности используемых алгоритмов обработки сигналов, специфичности флуоресцентных зондов.

Для определения пространственной разрешающей способности микроскопа проводят анализ изображения точечного источника света. Изображение точечного источника, формируемое обычной линзой, представляет собой дифракционное пятно Эри, состоящее из яркого центрального ядра и более слабых внешних колец.

Рис. 6. Дифракционное пятно Эри.

Два точечных источника одинаковой яркости, расстояние между которыми равно d, видны как две различные точки, если расстояние между центрами кружков Эри превышает следующее значение:

r A = XY =0,6 λ/NA,

где r A - радиус первого темного кольца в кружке Эри, λ- длинна волны источника света в нм, NA – числовая апертура.

Это выражение называют критерием Рэлея. Оно определяет разрешающую способность микроскопа в плоскости образца (XY). При этом предел разрешения определяется прежде всего волновой природой света, и поэтому его часто упрощают, считая NA=1. В КЛСМ формирования изображения приводит к небольшому уменьшению размера пятна Эри. Интенсивность пятна Эри для стандартного микроскопа уменьшается по закону n -2 ,где n - поперечное смещение, а для КЛСМ интенсивность уменьшается как n -4 . Это приводит к увеличению разрешающей способности КЛСМ в 1,5 раза. Для конфокального микроскопа критерий Рэлея имеет вид:

XY c r =0,4 λ/NA,

где XY c r – разрешающая способность КЛСМ.

Для оценки преимущества КЛСМ, рассмотрим аппаратную функцию (структуру пятна Эри) и проанализируем разрешающую способность микроскопа в осевом направлении (Z). Трехмерное пятно Эри (распределение интенсивности), является трехмерной аппаратной функцией (ТАФ) которая определяет изображение объекта. ТАФ для обычного микроскопа имеет коническую форму, расширяющуюся вверх и вниз от центра, тогда как для конфокального микроскопа она имеет эллиптическую форму и менее вытянута в осевом направлении.

Рис. 7. Вид трехмерной аппаратной функции точечного источника обычного микроскопа – (а) и КЛСМ – (б).

Критерий Рэлея применим и для определения разрешающей способности микроскопа в направлении оптической оси. Для обычного микроскопа два точечных источника, расположенные на некотором расстоянии вдоль оптической оси, можно разрешить, если максимумы их пятен Эри находятся на расстоянии:

Z r =2 λ/NA 2 ,

где Z r - осевая разрешающая способность микроскопа.

Распределение энергии в пятне Эри для КЛСМ более узкое, и разрешающая способность в осевом направлении в 1,4 раза выше. Для конфокального микроскопа критерий Рэлея имеет вид:

Z r c =1,4 λ/NA 2 ,

где Z r c - осевая разрешающая способность КЛСМ.

Современные КЛСМ имеют одно главное преимущество - возможность получения тонких оптических срезов. На качество изображения при получении тонких оптических срезов влияют следующие параметры:

· размер конфокальной диафрагмы;

· числовая апертура объектива NA;

· показатель преломления;

· поглощение света в образце.

Уменьшение интенсивности света по мере увеличения толщины образца влияет на разрешение микроскопа по оптической оси Z. Разрешение зависит от оптики микроскопа и образца. Толщину оптического сечения в конфокальном микроскопе обычно характеризуют шириной распределения на полувысоте пика интенсивности ∆z 1/2 = 0,65мкм. Если образец и детектор идеальны, этот параметр зависит от числовой апертуры объектива, длины волны λ и показателя преломления иммерсионной среды n i .

Рис. 8. Зависимость осевой разрешающей способности микроскопа ∆z 1/2 от числовой апертуры объектива.

В КЛСМ перед детектором ставится регулируемая диафрагма, изменяющая количество света. Игольчатые диафрагмы предназначены для создания условий максимальной или полной фильтрации света, попадающего в плоскость формирования изображения от точек, не совпадающих с фокальной плоскостью или находящихся рядом с анализируемым элементом объекта в фокальной плоскости. Размер игольчатой диафрагмы конечен, и от него зависят поперечное разрешение прибора, яркость освещенных элементов препарата, смещенных относительно фокальной плоскости по оси Z, и глубина резкости. Размер диафрагмы влияет на толщину получаемого сечения. Чем меньше диафрагма, тем ближе толщина сечения к теоретическому пределу (шириной распределения на полувысоте пика интенсивности), а при очень больших апертурах способность получать тонкое сечение становится невозможным.

Как говорилось ранее, КЛСМ дает возможность получать оптическое сечение на значительной глубине от поверхности образца, при этом важным моментом является показатель преломления и проблема глубины. Прохождение падающего и отраженного луча через образец влияет на качество изображения. Если показатели преломления иммерсионной среды и образца близки (влияние разности показателей преломления иммерсионной жидкости и объекта на появление рассеянного света, снижающего контраст изображения и действующего как эффект сферической аберрации), световой конус будет сходиться. Если же показатели преломления различаются, появляется сферическая аберрация.

Рис. 9. Показатели преломления иммерсионной среды и образца.

а – формирование изображения иммерсионным объективом без аберрации; б – сферическая аберрация, обусловленная несоответствием показателей.

При разных показателях преломления световые лучи, идущие на различном расстоянии от оптической оси, в одну точку не фокусируется, что приводит к потере качества изображения. По возможности показатели преломления образца и объектива должны быть согласованы. Если показатели преломления образца и иммерсионной среды различаются, изображение объекта на глубине размыто вдоль оптической оси, а плоскость фокуса сдвинута. Для увеличения глубины проникновения объектив должен иметь большую числовую апертуру, например иммерсионный объектив. Однако такие объективы имеют малое максимальное расстояние от линзы объектива до фокальной плоскости. На глубину проникновения влияет неоднородность образца, которая приводит к снижению интенсивности света на большой глубине и появлению тени. В идеале образец, позволяющий достичь максимальной глубины проникновения и максимального разрешения, должен иметь показатель преломления, равный показателю преломления объектива, но это однородный образец, а таких биологических образцов не существует.

Во время сканирования КЛСМ получает ряд оптических сечений с регулярно возрастающей глубиной от поверхности образца. Для большинства КЛСМ получение сотни 2D-изображений занимает всего несколько минут. Оптическое изображение можно получить двумя способами:

1) получение последовательности оптических сечений в плоскости XY, расположенных на расстоянии ∆z друг от друга. Сопоставление координат центров объектов в различных сечениях дает возможность определить их ориентацию и распределение по длине.

Рис. 10. Изучение трехмерной структуры в плоскости XY.

2) получение ряда оптических сечений в плоскости XZ, расположенных на расстоянии ∆y. Если образец параллелен плоскости сечения, то его сечение в плоскости XZ будет почти круглым, при сопоставлении изображений в различных XZ сечениях, можно определить изогнутость исследуемого объекта.

Рис. 11. Изучение трехмерной структуры в плоскости XZ.

Трехмерная реконструкция исследуемых объектов методами КЛСМ направлена на решение двух задач:

· визуализации объемного изображения объекта, полученного путем "сборки" его оптических срезов;

· количественного анализа внутренних структур объекта.

На сегодняшний день существует достаточно много фирм производителей КЛСМ. Инновации фирм-производителей КЛСМ:

· 2002 г. фирма Leica анонсировала акустооптический светоделитель (AOBS), позволяющий эффективно разделять лазерный луч возбуждения и люминесценцию;

· 2002 г. фирма Carl Zeiss начала выпускать конфокальный микроскоп LSM 510 META с оригинальным фотоприемником, регистрирующим сигнал одновременно в 32-х спектральных каналах;

· 2004 г. Zeiss создает высокоскоростной LSM 5 Live, имеющий скорость сканирования в 20 раз выше обычного КЛСМ;

· Фирма Olympus разработала прибор с двумя сканерами, позволяющий более эффективно применять, например, методику FRAP;

· Nikon - создает компактный и недорогой КЛСМ упрощенной конструкции;

· 2007 год фимра Leica объявила о выпуске 4Pi-конфокального микроскоп, улучшающий аксиальное разрешение в 4 - 7 раз.

Рассмотрим устройство КЛСМ относящегося к новому более совершенному поколению приборов – TCS SP5 фирмы Leica.

Рис. 12. Многофотонная/конфокальная широкополосная система TCS SP5 (инвертированный микроскоп).

Ключевые элементы КЛСМ TCS SP5: AOTF – акустико-оптический настраиваемый фильтр, AOBS – акусто-оптический светоделитель, SP-Detector – датчик спектрального фотометра.

AOTF – акустико-оптический настраиваемый фильтр – служит для минимизации оптического экспонирования, настраивает мощность лазера в зависимости от образца и флуорохрома. Позволяет выбрать необходимую длину волны и управлять интенсивностью света возбуждения. AOTF - представляет собой электрически перестраиваемый фильтр, работающий на принципе объемной дифракции светового пучка на неоднородностях показателя преломления. Такие неоднородности возникают при возбуждении в двулучепреломляющих кристаллах ультразвуковой акустической волны. При анизотропной дифракции в одноосных кристаллах существует минимальная частота ультразвука, при которой углы падения и дифракции совпадают, и происходит так называемое коллинеарное акустооптическое взаимодействие.

Рис. 13. Акустико-оптический настраиваемый фильтр.

AOBS – акусто - оптический светоделитель, это акусто-оптический кристалл – настраиваемое преломляющее устройство, работающее в реверсивном режиме. Что дает использование AOBS:

1. Для получения четкого, с низким уровнем шума, изображения необходима высокая степень светопропускания. Уменьшение же шума за счет усреднения изображения по многим последовательным сканированиям с необходимостью приводит к фотообесцвечиванию изучаемого объекта. Степень светопропускания AOBS превосходит большинство дихроичных зеркал во всем видимом диапазоне спектра. Следовательно, требуется усреднение по меньшему числу сканирования. В результате препарат просуществует гораздо дольше;

2. Яркие и четкие изображения требуют прохождения как можно большего числа фотонов от объекта к детектору, что улучшает качество изображения. AOBS обеспечивает регистрацию максимально широких полос флуоресценции, то есть максимального числа фотонов;

3. Низкое обесцвечивание во время получения изображения важно для защиты образца от выцветания, а живых объектов от токсичных продуктов фотолиза флуорохромов. Кривые светопропускания AOBS имеют очень крутые наклоны, что позволяет регистрировать флуоресценцию флуорохрома максимально близко к полосе его возбуждения;

4. Может быть возбужден любой краситель видимого диапазона, так как отражение может настраиваться индивидуально;

5. Решен вопрос многопараметрической флуоресценции: можно запрограммировать до восьми линий излучения лазера, оставляя достаточно места для регистрации флуоресценции, при этом частоты настраиваются;

6. Соотношение красителей, как соотношение возбуждения метаболит - проб, например, для Са 2+ , мембранного потенциала, водородного показателя должно быстро переключаться при последовательном сканировании. AOBS переключается за несколько микросекунд;

7. Регистрация изображения в отраженном свете - еще одна возможность использования. AOBS позволяет настраивать прохождение отраженного возбуждающего света индивидуально;

8. Сканирование ROI (последовательное сканирование и сканирование определенной зоны) также улучшено: различные режимы возбуждения применимы для различных областей во время отдельного сканирования;

9. Большой объем 3D записей, в последовательном режиме выигрывает от устройств с быстрым переключением, так как скорость увеличивает эффективность системы;

10. Флуоресцентная корреляционная спектроскопия (FCS) требует низкого фона и малого светорассеяния Только AOBS эффективно блокирует близкие линии излучения, например, от Аr лазеров;

11. Спектральная запись (Лямбда сканирование) обеспечивает точный спектр, так как светопропускание AOBS «белое», а это значит, что он не вносит изменений в спектр испускания - что является обычной проблемой при выполнении спектрального сканирования в системе с дихроичными зеркалами;

12. Для истинного конфокального получения оптических срезов необходимо точечное освещение и точечная регистрация флуоресценции. AOBS подходит для работы с конфокальными устройствами точечного сканирования;

13. Получение изображения в мультифотонном режиме либо при ультрафиолетовом возбуждении может быть выполнено параллельно без ошибок или ограничений. AOBS не меняет возбуждение лазеров невидимого диапазона и не меняет спектр флуоресценции;

14. Невозможно выполнить ошибочную операцию, так как AOBS контролируется совместно с управлением возбуждения при помощи AOTF (акустико-оптический настраиваемый фильтр). Если выбрана линия возбуждения, то и AOBS запрограммирован в соответствии с ней. Оператору не надо принимать решения - работа выполняется правильно и автоматически;

15. Отсутствует разюстировка, так как нет подвижных элементов присущих фильтровым барабанам и слайдерам. Кристалл прочно установлен, программирование выполняется электронным способом;

16. Нет необходимости в дорогостоящем дополнительном оборудовании, например, фильтровых кубиков, слайдеров дихроичных зеркал и т.д. Поэтому гораздо меньше расходы на техническую помощь для установки новых оптических элементов.

Рис. 14. AOBS – акусто - оптический светоделитель.

SP-Detector – датчик спектрального фотометра. Свет от образца, являющийся суммой спектров вызванной флуоресценции проходит pinhole диафрагму, которая формирует конфокальный оптический срез. Далее при помощи призмы этот свет раскладывается в спектр. При прохождении первого детектора, свет проходит устройство щелевого фотометра, состоящего из двух шторок с приводом. Эти шторки обрезают края спектра с обеих сторон диапазона и направляют к сенсорам 2 и 3 порядка. В итоге спектр раскладывается одновременно на пять каналов. В итоге при использовании SP – детектора регистрируется излучение от различных красителей в образце.

Рис. 15. Спектральный детектор SP.

SP – детектор позволяет производить лямбда-сканирование: спектральные изображения накапливаются для анализа характеристик красителей, задействованных в эксперименте, сразу.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Прижизненная отражательная конфокальная лазерная сканирующая микроскопия: история создания, принцип работы, возможности применения в дерматологии

Н.Н. ЛУКАШЕВА1 , С.Б. ТКАЧЕНКО1 , Н.Н. ПОТЕКАЕВ2 , Т.С. КУЗЬМИНА1 , Е.А. ВАСИЛЕВСКАЯ1

1 Лаборатория по изучению репаративных процессов в коже НИИ молекулярной медицины ММА им. И.М. Сеченова; 2 кафедра

кожных и венерических болезней ФППОВ ММА им. И.М. Сеченова

Lifetime-period reflecting confocal laser scan microscopy: the history of foundation, the principle of functioning, possibilities of using in dermatology

N.N. LUKASHEVA1 , S.B. TKACHENKO1 , N.N. POTEKAEV2 , T.S. KUZ’MINA1 , E.A. VASILEVSKAYA1

1 Laboratory by studying of reparative processes in the skin of Research Institute of molecular medicine of I.M. Sechenov Moscow medical academy; 2 FPPOP of I.M. Sechenov Moscow medical academy

Одной из тенденций современной медицины является применение неинвазивных органосохраняющих методов исследования. Благодаря научным разработкам и внедрению в практику инновационных технологий в последнее десятилетие появились новые неинвазивные высокоразрешающие методы исследования структуры кожи и других тканей. К ним относятся оптическая когерентная томография, высокочастотное ультразвуковое сканирование, ядерно-магнитный резонанс, конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (КЛСМ). Последний метод занимает особое место среди визуализирующих технологий, так как позволяет получить изображение эпидермиса и поверхностной части дермы с разрешением, приближенным к традиционной световой микроскопии .

Основная концепция конфокальной микроскопии была разработана M. Minsky в середине 50-х годов прошлого столетия с целью исследования нейронной сети в нативном препарате ткани головного мозга без предварительного окрашивания . Это изобретение осталось без внимания в силу отсутствия на тот момент мощного источника света, необходимого для получения изображения, а также должного компьютерного оборудования для обработки полученной информации. Вслед за M. Minsky в 60-х годах M. Egger и M. Petran создали многолучевой конфокальный микроскоп с применением вращающегося диска для исследования неокрашенного препарата ткани головного мозга и клеток ганглиев . В 1973 г. благодаря работам M. Egger по дальнейшему совершенствованию конфокального лазерного сканирующего микроскопа впервые были

Klin Dermatol Venerol 2008;5:10-15

опубликованы различимые изображения клеток, полученные с помощью данного метода . Развитие компьютерных и лазерных технологий в 70-80-х годах прошлого столетия, а также возможность получения цифровых изображений привели к росту интереса к конфокальной микроскопии . И в 80-х годах несколько групп исследователей продемонстрировали использование тандемного сканирующего конфокального микроскопа для изображения тканей человека и животных in vivo . Вскоре после того как закончился патент M. Minsky, чертежи конфокального лазерного сканирующего микроскопа были использованы несколькими исследователями для создания рабочих аппаратов. Голландский физик G.F. Brakenhoff разработал конфокальный сканирующий микроскоп в 1979 г. , почти одновременно с ним C. Sheppard внес свой вклад в метод теорией создания изображения . T. Wilson, W. Amos и J. White разработали концепцию и позднее, в 80-х годах прошлого столетия, продемонстрировали полезность конфокальных изображений в исследовании флюоресцирующих биологических образцов . Первый коммерчески доступный аппарат появился в 1987 г. В 90-х годах достижения в оптике и электронике позволили создать более мощные и надежные лазеры, сканирующие зеркальные элементы с высоким коэффициентом полезного действия, высокопроизводительную волоконную оптику, более тонкий слой диэлектрического покрытия и детекторы, уменьшившие шумовые характеристики . Благодаря появившимся в конце 90-х годов высокоскоростным компьютерным системам, увеличенным мониторам и технологиям, позволяющим запоминать большой объем информации, наступил новый взрывной этап в развитии КЛСМ по количеству применений, на которые она могла быть

нацелена. Первые сообщения о применении конфокального лазерного сканирующего микроскопа для получения изображений кожи человека in vivo были опубликованы в 1995 г. . Отражательная конфокальная микроскопия, применяемая в дерматологии, была разработана М. Rajadhyaksha и соавт. и улучшена «Lucid Inc» . В 90-х годах группы исследователей (S. Gonzalez и соавт.) занимались изучением различных патологических состояний кожи с помощью отражательной конфокальной микроскопии и показали большую значимость данного метода как полезного диагностического инструмента .

В зависимости от применяемого источника света существуют разные виды конфокальной микроскопии. Конфокальная микроскопия может выполняться с использованием лазера в качестве источника света или без него. В тандемном сканирующем конфокальном микроскопе обычно используется ртутная лампа. По сравнению с тандемным сканирующим конфокальным микроскопом при КЛСМ используется лазерный луч определенной длины волны и высокой мощности освещения . Кроме того, различают флюоресцентную и отражательную КЛСМ. Благодаря своей безопасности и неинвазивности прижизненная отражательная КЛСМ является более предпочтительной в использовании .

Основной принцип отражательной КЛСМ основан на использовании точечного источника света (лазерный луч), освещающего маленькое пятно внутри ткани, с последующим улавливанием отраженного света через оптически соединенную апертуру (вкрапление) (рис. 1). Отраженный свет проходит через вкрапление, в результате чего только находящийся в фокусе свет достигает детектора, в то время как свет вне фокуса отклоняется. Таким образом, определяется единственный план внутри образца, который расположен в фокусе. Числовая апертура линзы объектива, длина волны и размер открытой апертуры (вкрапления) определяют разрешение изображения, получаемого с помощью отражательной КЛСМ. Лазеры различных длин волн могут быть использованы в качестве источника света для отражающей конфокальной микроскопии. Более длинные, близкие к инфракрасным, длины волн проникают глубже в кожу, но дают более низкое разрешение по сравнению с короткими длинами волн видимого спектра. Отражение света возникает в результате местных различий в коэффициенте преломления внутри ткани. Для отдельных органелл и структур оно обусловлено разницей в коэффициентах преломления по сравнению с ближайшим окружением. Меланосомы дают сильное отражение с длинами волн видимого (400-700 нм) и близкого инфракрасного (700-1064 нм) спектров из-за высокого индекса преломления по сравнению с окружающим эпидермисом. Поэтому клетки, содержащие

Рис. 1. Схема работы конфокального лазерного сканирующего микроскопа.

меланин, такие как базальные кератиноциты и меланоциты, дают яркое изображение .

Существуют конфокальные сканирующие лазерные микроскопы различных фирм-произво- дителей: Vivascope 1000, 1500, 2500 Lucid Inc., Rochester, NY; Optiscan F900, Optiscan Pty. Ltd., Notting Hill, VIC, Australia и др. (рис. 2). При использовании конфокального лазерного микроскопа Vivascope 1500, Lucid Inc. лазерное сканирование осуществляется на длине волны 830 нм с оптической мощностью не более 16 мВт, которое не вызывает повреждения ткани или поражение глаза. Линза объектива дает 30-кратное увеличение (NA 0,9), при этом боковое разрешение составляет приблизительно 1 мкм и осевое разрешение (сечение толщины) 5 мкм. В микроскопе используется водная иммерсионная линза, так как коэффициент преломления воды близок к коэффициенту преломления эпидермиса , и это сводит к минимуму сферическую аберрацию, вызванную поверхностными эпидермальными слоями клеток, когда воспроизводится изображение глубже в дерме. Сканирование производится в плоскостях XY 4×4 мм с размером кадра 0,5×0,5 мм, частотой 9 кадров в секунду. С помощью этой системы можно получить изображение нормальной кожи на глубине от 200 до 400 мкм, достаточной для изображения эпидермиса и верхней части дермы (сосочковой и верхней ретикулярной). Отсканированное через иммерсионный объектив Lucid Stable View изображение с разрешением 1000×1000 точек обрабатывается программой

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Рис. 2. Конфокальный лазерный сканирующий микроскоп VivaScope 1500 «Lucid Inc».

Vivascope Ver.7,0 и передается на цветной монитор 19′′, имеющий максимальное разрешение 1280×1024 точек . При использовании микроскопа Vivascope 1500 не нужно применять контрастные вещества. Получение изображений возможно благодаря естественному контрасту и различиям в коэффициенте рефракции компонентов кожи, таких как меланин и кератин . Во время воспроизведения изображения используется специальное устройство для контакта с кожей, чтобы уменьшить образование артефактов. Оно содержит воду или гель на границе раздела фаз. Это устройство состоит из металлического кольца, которое фиксируется на коже пациента путем прилипания и соединяется с микроскопом, снабженным магнитом. Данное устройство имеет вогнутую форму, для того чтобы вмещать иммерсионную среду.

Метод КЛСМ позволяет получать изображения эпидермиса и поверхностной части дермы с разрешением, приближенным к традиционной световой микроскопии. С помощью данного метода можно получить изображения не только придатков кожи, но и отличить клетки различных слоев эпидермиса, волокна сосочкового слоя дермы, оценить состояние капилляров дермы. Можно исследовать морфологию разных клеток, определять размер, форму клеточных и субклеточных структур . Основное отличие КЛСМ от традиционного гистологического исследования заключается в том, что

получаемые изображения слоев кожи ориентированы горизонтально (параллельно) поверхности кожи (en face ), а также они представляют собой полутоновые изображения . В связи с этим могут возникать затруднения в трактовке полученных результатов и при сравнении изображений, полученных с помощью прижизненной КЛСМ и данными классической биопсии. С помощью КЛС микроскопа могут быть получены отдельные изображения сечений кожи, а также записаны небольшие кинофильмы для демонстрации динамических процессов, происходящих в коже, например кровотока .

Основными преимуществами прижизненной КЛСМ являются быстрота получения результата обследования по сравнению с классическим патогистологическим исследованием, которое включает в себя этапы иссечения маленького кусочка ткани (биопсию), фиксацию, нарезание на тонкие слои (сечения), окрашивание красителями и последующее изучение с помощью световой микроскопии. КЛСМ не изменяет ткани в ходе исследования, как это имеет место при гистологическом исследовании в результате получения сечений и их окрашивания, таким образом, минимизируется появление артефактов. Кроме того, процедура безболезненна, проходит без повреждения кожных покровов, не оставляет рубцовые изменения. Метод позволяет оценивать динамику заболеваний, а также дает возможность оперировать в режиме реального времени (при микрографической хирургии) .

Первые работы по применению КЛСМ в дерматологии были связаны с получением конфокальных изображений структуры здоровой кожи и последующим их анализом. В работах M. Rajadhyaksha, S. Gonzalez и соавт. , M. Huzaira и соавт. , K.J. Busam и соавт. приводятся подробные описания конфокальных изображений отдельных слоев эпидермиса, дермы, сосудистой сети, придатков кожи (отдельные сальные железы, сально-волосяные фолликулы, потовые протоки). Помимо качественных характеристик, даются морфометрическая оценка размеров клеток, глубины расположения и толщины слоев эпидермиса, оценка отдельных волокон и пучков коллагена сосочковой и верхней части ретикулярной дермы, приведены диаметр просветов капилляров, а также размеры отдельных клеток крови в просветах капилляров. K.J. Busam и соавт. , T.Yamashita и соавт. в своих статьях дают качественную оценку меланоцитам, приводят морфологические признаки меланоцитов, пигментированных кератиноцитов, меланофагов, позволя-

ющие различать указанные клетки на изображениях, полученных методом прижизненной КЛСМ. В ряде представленных работ дается оценка топографических особенностей строения здоровой кожи, проводится анализ возрастных изменений кожных покровов, влияния инсоляции на строение эпидермиса и дермы здоровых людей. Понимание того, как выглядят изображения здорового эпидермиса и дермы, имеет значение для последующего определения патологических изменений в коже.

Большое количество меланина, представленного в меланоцитарных очагах, делает пигментные новообразования кожи (невусы, меланома) идеальными для изображения и диагностики методом прижизненной КЛСМ . Целью любого визуализирующего метода, применяемого в дерматологии, является диагностика меланомы на ранних стадиях заболевания, так как от этого зависит эффективность проводимой терапии. Результаты исследований K.J. Busam и соавт. , G. Pellacani и соавт. , R. Langley и соавт. , A. Gerger и соавт. показали, что меланома может быть достаточно успешно диагностирована с помощью метода КЛСМ. Наличие плеоморфных ярких клеток внутри эпидермиса и дермы, которые могут быть звездообразной формы, обладать крупными ветвящимися отростками и эксцентрично расположенными крупными ядрами, а также нарушение архитектоники шиповатого слоя за счет нечетких границ клеток и ярких серых частиц (вероятно, меланина), распространенных внутри эпидермиса, позволяет диагностировать меланому . Внутриэпидермальная меланома также может быть диагностирована с помощью данного метода на основании критериев, которые применяются в традиционной гистологии. Конфокальные изображения внутриэпидермальных меланом позволили выявить увеличенное число интрадермальных увеличенных (атипичных) меланоцитов в солитарных единицах во всех слоях эпидермиса, включая верхние зернистый и шиповатый слои . Необходимо указать, что некоторые признаки меланом могут быть определены и в беспигментных меланомах . Однако следует отметить, что малые размеры выборок, на которых были проведены исследования, пока не позволяют судить о чувствительности и специфичности представленных критериев конфокальных изображений в постановке диагноза меланомы.

K.J. Busam и соавт., R. Langley и соавт. указывают на такие признаки меланоцитарных невусов на конфокальных изображениях, как наличие маленьких мономорфных круглых или овальных, сильно преломляющих свет клеток с центрально расположенными ядрами. Эти клетки могут быть видны внутри эпидермиса, в дермоэпидермальном соединении, типично окружая дермальный сосочек, и в поверхностной дерме в зависимости от вида невуса.

Они часто сгруппированы в круглые кластеры (гнезда), содержащие несколько клеток, расположенные вблизи кровеносных сосудов. Архитектура рогового, зернистого, шиповатого и базального слоев при этом остается неизмененной . Диспластические невусы характеризуются локальным уменьшением границ взаимодействия между кератиноцитами в дермоэпидермальном соединении, наличием характерных ярких гранул внутри эпидермиса (вероятно, меланиновых телец), большим разнообразием в размерах и форме невомеланоцитов, хотя они все еще имеют склонность быть более круглыми или овальными, чем ветвящимися. Приведенные исследования свидетельствуют о том, что признаки меланоцитарных невусов хорошо коррелируют с традиционной гистологической картиной. Однако остается до конца неизвестным, можно ли точно определить данным методом злокачественные клетки с малым количеством пигмента. Для выяснения этого вопроса необходимо проведение дальнейших исследований.

Метод прижизненной КЛСМ позволяет определять атипичные области, подозрительные в отношении неопластических очагов. В проанализированной литературе работы, посвященные изучению актинического кератоза, принадлежат D. Aghassi и соавт. , изучению плоскоклеточной карциномы - M. Horn и соавт. , исследованию базалиомы - M. Goldgrier и соавт. , A.L. Agero и соавт. , S. Nori и соавт. , K. Sauermann и соавт. . КЛСМ позволяет определять границы очага до начала терапии, что может быть полезным в оценке границ опухолей с радиальным характером роста, включая злокачественную лентиго-меланому, некоторые базалиомы или опухоли, трудные для клинического осмотра, например, склерозирующие инфильтративные базалиомы. Ключевые гистопатологические признаки актинического кератоза, выявляемые с помощью КЛСМ, включают архитектурный беспорядок, увеличение ядер эпидермиса с плеоморфизмом, паракератоз, что ведет к организованному беспорядку. В настоящее время глубина проникновения лазера является главным ограничением КЛСМ для диагностики актинического кератоза . Конфокальными признаками базалиомы - наиболее часто встречающейся опухоли кожи человека, являются островки мономорфных опухолевых клеток вытянутой формы с характерными вытянутыми ядрами, ориентированными вдоль той же самой оси. Эта картина однообразно ориентированных клеток проходит через всю толщу эпидермиса, теряя нормальную, напоминающую пчелиные соты модель, и архитектуру дермальных сосочков. Обильные кровеносные сосуды, демонстрирующие чрезмерную извилистость, также как и преимущественно мононуклеарный воспалительный инфильтрат, смешанны или тесно расположены с клетками базалиомы

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Результаты выполненного S. Nori и соавт. большого ретроспективного многоцентрового исследования показали значимую точность признаков, выявляемых при КЛСМ, для диагностики базалиомы in vivo . Таким образом, КЛСМ позволяет в реальном времени определить наличие резидуальной или клинически сомнительной базалиомы. По данным ряда исследований, КЛСМ помогает в скорой оценке границ опухолей при микрографической хирургии в ходе исследования эксцизионных образцов во время операции . Ограничивающими факторами в использовании прижизненной КЛСМ для диагностики опухолей кожи в настоящее время являются ограниченная глубина исследования, которая препятствует получению точных изображений ниже поверхностной дермы, и наличие преломляемости воспалительных клеток, среди прочих.

Выполненные в 90-х годах рядом исследователей (S. Gonzalez и др.) работы по изучению различных воспалительных состояний кожи с помощью отражательной конфокальной микроскопии позволили выявить большую значимость данного метода как полезного диагностического инструмента . Наибольшее преимущество метода заключается в том, что он позволяет в реальном времени оценивать динамические процессы при воспалительных заболеваниях кожи и, что очень важно, оценивать эффективность проводимой терапии дерматозов . С помощью прижизненной КЛСМ оценены воспалительные изменения при псориазе , аллергическом и простом контактном дерматитах , фолликулите , дерматомикозах , бородавках , простом герпесе , системном склерозе . На конфокальных изображениях признаки вульгарного псориаза в стационарной стадии соответствуют обычной гистологической картине и включают паракератоз, микроабсцессы Мунро, акантоз, расширение капилляров, папилломатоз . Отчетливо видны границы воспалительного очага . С помощью КЛСМ в режиме реального времени визуализируются такие типичные признаки контактного дерматита, как спонгиоз, образование микровезикул, воспалительный инфильтрат и местами эпидермальный некроз . С использованием данного метода были продемонстрированы патогистологические особенности простого и аллергического дерматитов, а также показано, что конфокальная микроскопия может применяться для оценки расовых (у представителей негроидной и европеоидной расы) особенностей острого контактного дерматита . Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия позволяет быстро, в реальном времени обнаруживать ветви гиф и воспалительный инфильтрат in vivo или iv vitro с ногтевых пластинок и кусочков кожи . Фолликулит, изображенный с помощью конфокальной микроскопии, может быть окончательно диагностиро-

ван путем прямой демонстрации внутриэпидермальных пустул, воспалительного инфильтрата, спонгиоза и дилатации капилляров . Бородавки на конфокальных снимках характеризуются гиперкератотическим роговым слоем и наличием множественных сильно преломляющих округлых структур размером 20-40 мкм внутри очага, что позволяет быстро и окончательно поставить диагноз . Герпетической инфекции кожи соответствуют плеоморфные баллонирующие кератиноциты и многоядерные гигантские клетки в свободной совокупности с кератиноцитами и воспалительными клетками .

Таким образом, метод прижизненной КЛСМ позволяет in vivo оценивать патоморфологические изменения в коже при различных дерматозах, включая неопластические очаги, меланоцитарные невусы, меланому, что, несомненно, подтверждает полезность данного инструмента в диагностике различных дерматологических заболеваний. Учитывая неинвазивный характер метода, возможность повторного многократного исследования одних и тех же очагов, представляется, что КЛСМ в большей степени полезна при оценке динамических изменений, происходящих в коже в ходе эволюции заболеваний и на фоне проводимой терапии дерматозов.

Несмотря на явные полезные стороны прижизненной КЛСМ, существуют также некоторые ограничения и сложности в применении данного метода. Настоящая техника сложна и затратна, и поэтому не очень широко доступна исследователям и клиницистам. Тем не менее несколько групп ученых в институтах и в промышленности разрабатывают более простые, менее затратные сканирующие технологии. Разрабатываются также более портативные аппараты по сравнению с ныне существующими, так как громоздкие установки неудобны в использовании при обследовании труднодоступных областей тела. Ограничивающим фактором в использовании прижизненной КЛСМ является ограниченная глубина исследования, которая препятствует получению точных изображений ниже поверхностной дермы. Продолжается работа по созданию вертикально ориентированных сечений, которые были бы сходны с теми, что мы видим при гистологическом исследовании, так как это значительно бы увеличило возможности прижизненной КЛСМ. Большую научную проблему составляет трактовка изображений

Способность читать, интерпретировать и анализировать конфокальные изображения с тем, чтобы выделить полезную клиническую и гистологическую информацию. Несколько групп ученых по всему миру выполняют детальные исследования, чтобы характеризовать конфокальные изображения и провести их корреляцию с гистологией. Одной из важных проблем остается определение чувствительности и специфичности данного метода исследования в диагностике разных дерматозов .

ЛИТЕРАТУРА

1. Abramovits W., Stevenson L.C. Changing paradigms in dermatology: new ways to examine the skin using noninvasive imaging methods. Clinics in Dermatology 2003; 21: 353-358.

2. Minsky M. Microscopy apparatus. US Pat 1961; 467.

3. Minsky M. Memoir on inventing the confocal scanning microscopy. Scanning 1988; 10: 128-138.

4. Egger M.D., Petran M. New reflected-light microscope for viewing unstained brain and ganglion cells. Science 1967; 157: 305-307.

5. Davidovits P., Egger M.D. Photomicrography of corneal endothelial cells in vivo. Nature 1973; 244: 366-367.

6. Amos W.B., White J.G. How the confocal laser scanning microscope entered biological research. Biology of the Cell 2003; 95: 335-342.

7. Brakenhoff G.J., Blom P., Barends P. Confocal scanning light microscopy with high aperture immersion lenses. J Microscopy 1979; 117: 219- 232.

8. Sheppard C.J.R., Wilson T. Effect of spherical aberration on the imaging properties of scanning optical microscopes. Applied Optics 1979; 18: 1058.

9. Hamilton D.K., Wilson T. Scanning optical microscopy by objective lens. Scanning, Journal of Physics E: Scientific Instruments 1986; 19: 52-54.

10. Pawley J.B. Handbook of biological confocal microscopy. New York: Plenum Press 1995.

11. Gonzalez S., Swindells K., Rajadhyaksha M., Torres A. Changing paradigms in dermatology: confocal microscopy in clinical and surgical dermatology. Clin Derm 2003; 21: 359-369.

12. Rajadhyaksha M., Grossman M., Esterowitz D. et al. In vivo confocal scanning laser microscopy of human skin: melanin provides strong contrast. J Invest Dermatol 1995; 104: 946-952.

13. Rajadhyaksha M., Gonzalez S., Zavislan J.M. Son R.R. et al. In vivo confocal scanning laser microscopy of human skin II: advances in instrumentation and comparison to histology. J Invest Dermatol 1999; 113: 101-112.

14. Confocal laser microscope images tissue in vivo. Laser Focus World 1997; 33: 119-127.

15. Rajadhyaksha M., Zavislan J.M. Confocal reflectance microscopy of unstained tissue in vivo. Retinoids 1998; 14: 26-30.

16. Gonzalez S., Rajadhyaksha M., Anderson R.R. Non-invasive (realtime) imaging of histologic margin of a proliferative skin lesion in vivo. J Invest Dermatol 1998; 111: 538-539.

17. Gonzalez S., Gonzalez E., White W.M. et al. Allergic contact dermatitis: correlation of in vivo confocal imaging to routine histology. J Am Acad Dermatol 1999; 40: 708-713.

18. Swindle L.D., Thomas S.G., Freeman M., Delaneyz P.M. View of normal human skin in vivo as observed using fluorescent fiber-optic confocal

microscopic imaging. J Invest Dermatol 2003; 121: 706- 712.

19. Delaney P.M., Harris M.R., King R.G. Novel microscopy using fiber optic confocal imaging and its suitability for subsurface blood vessel imaging in vivo. Clin Exp Pharmacol Physiol 1993; 197: 20.

20. Busam K.J., Charles C., Lohmann C.M. et al. Detection of intraepidermal malignant melanoma in vivo by confocal scanning laser microscopy. Melanoma Research 2002; 12: 349-355.

21. Aghassi D., Anderson R.R., González S. Confocal laser microscopic imaging of actinic keratoses in vivo: a preliminary report. J Am Acad Dermatol 2000; 43: 42-48.

22. Руководство по эксплуатации VivaScope 1500 Lucid Inc.

23. Corcuff P., Bertrand C., Leveque J.L. Morphometry of human epidermis in vivo by real-time confocal, microscopy. Arch Dermatol Res 1993; 285: 475-481.

24. Meyer L.E., Otberg N., Richter H., Sterry W. et al. New prospects in dermatology: fiber-based confocal scanning laser microscopy. Laser Physics 2006; 16: 5: 758-764.

25. Serup J., Jemec G.B.E., Grove G.L. Handbook of non-invasive methods and the skin. 2nd ed. CRC Press 2006; 32: 267-276.

26. Huzaira M., Rius F., Rajadhyaksha M., Anderson R.R. et al. Topographic variations in normal skin, as viewed by in vivo reflectance confocal microscopy. J Invest Dermatol 2001; 116: 846-852.

27. Busam K.J., Charles C., Lee G., Halpern A.C. Morphologic features of melanocytes, pigmented keratinocytes and melanophages by in vivo

confocal scanning laser microscopy. Mod Pathol 2001; 14: 9: 862- 868.

28. Yamashita T., Kuwahara T., Gonzalez S., Takahashi M. Non-invasive visualization of melanin and melanocytes by reflectance-mode confocal microscopy. J Invest Dermatol 2005; 124: 235-240.

29. Sauermann K., Clemann S., Jaspers S., Gambichler T. et al. Age related changes of human skin investigated with histometric measurements by confocal laser scanning microscopy in vivo. Skin Research and Technology 2002; 8: 52-56.

30. Sauermann K., Jaspers S., Koop U., Wenck H. Topically applied vitamin C increases the density of dermal papillae in aged human skin. BMC Dermatology 2004; 4:13 doi:10.1186/1471-5945-4-13.

31. Pellacani G., Cesinaro A.M., Seidenari S. Reflectance-mode confocal microscopy of pigmented skin lesions-improvement in melanoma diagnostic specificity. J Am Acad Dermatol 2005; 53: 979-985.

32. Langley R.G.B., Rajadhyaksha M., Dwyer P.J., Sober A.J. et al. Confocal scanning laser microscopy of benign and malignant melanocytic skin lesions in vivo. J Am Acad Dermatol 2001; 45: 365-376.

33. Gerger A., Koller S., Kern T., Massone C. et al. Diagnostic applicability of in vivo confocal laser scanning microscopy in melanocytic skin tumors. J Invest Dermatol 2005; 124: 493-498.

34. Busam K.J., Hester K., Charles C. et al. Detection of clinically amelanotic malignant melanoma and assessment of its margins by in vivo confocal scanning laser microscopy. Arch Dermatol 2001; 137: 923-929.

35. Horn M., Gerger A., Koller S. et al. The use of confocal laser-scanning microscopy in microsurgery for invasive squamous cell carcinoma. British Journal of Dermatology 2007; 156: 81-84.

36. Goldgrier M., Fox C.A., Zavislan J.M. et al. Noninvasive imaging, treatment and microscopic confirmation of clearance of basal cell carcinoma. Dermatol Surg 2003; 29: 205-210.

37. Agero A.L.C., Busam K.J., Benvenuto-Andrade C. Reflectance confocal microscopy of pigmented basal cell carcinoma. J Am Acad Dermatol 2006; 54: 638-643.

38. Nori S., Rius-Dıaz F., Cuevas J. et al. Sensitivity and specificity of reflectance-mode confocal microscopy for in vivo diagnosis of basal cell сarcinoma: a multicenter study. J Am Acad Dermatol 2004; 51: 923-930.

39. Sauermann K., Gambichler T., Wilmert M. et al. Investigation of basal cell сarcinoma by confocal laser scanning microscopy in vivo. Skin Research and Technology 2002; 8: 141-147.

40. Gonzalez S., Sackstein R., Anderson R.R., Rajadhyaksha M. Real-time evidence of in vivo leukocyte trafficking in human skin by reflectance confocal microscopy. J Invest Dermatol 2001; 117: 2: 384-386.

41. González S., Rajadhyaksha M., Rubinstein G., Anderson R.R.

Characterization of psoriasis in vivo by reflectance confocal microscopy. J Med 1999; 30: 337-356.

42. Astner S., Gonzalez E., Cheung A.C. et al. Non-invasive evaluation of the kinetics of allergic and irritant contact dermatitis. J Invest Dermatol 2005; 124: 351-359.

43. Hicks S.P., Swindells K.J., Middelkamp-Hup M.A. et al. Confocal histopathology of irritant contact dermatitis in vivo and the impact of skin color (black vs white). J Am Acad Dermatol 2003; 48: 727-734.

44. Gonzalez S., Rajadhyaksha M., Gonzalez-Serva A. et al. Confocal reflectance imaging of folliculitis in vivo: correlation with routine histology. J Cutan Pathol 1999; 26: 201-205.

45. Markus R., Huzaira M., Anderson R.R., Gonzalez S. A better potassium hydroxide preparation? In vivo diagnosis of tinea with confocal microscopy. Arch Dermatol 2001; 137: 1076-1078.

46. Hongcharu W., Dwyer P., Gonzalez S., Anderson R.R. Confirmation of onychomycosis by in vivo confocal microscopy. J Am Acad Dermatol 2000; 42: 214-216.

47. Goldgeier M., Fox C.A., Muhlbauer J.E. Immediate noninvasive diagnosis of herpesvirus by confocal scanning laser microscopy. J Am Acad Dermatol 2002; 46: 783-785.

48. Sauermann K., Gambichler T., Jaspers S. et al. Histometric data obtained by in vivo confocal laser scanning microscopy in patients with systemic sclerosis. BMC Dermatology 2002; 2: 8.

Оптическая микроскопия также интенсивно развивается с использованием новейших достижений техники, информационных и компьютерных технологий. Это приводит к усовершенствованию имеющейся аппаратуры и методик ее применения, что обусловливает появление новых методов, в частности конфокальной микроскопии.

Конфокальный микроскоп отличается от «классического» оптического прибора тем, что в каждый момент времени регистрируется изображение одной точки объекта, а полноценная картина строится путем сканирования (движения образца или перестройки оптической системы). Таким образом, в своеобразной форме реализуется принцип растровой электронной микроскопии, что позволяет сколь угодно долго регистрировать и обрабатывать сигнал с каждой отдельно взятой точки.

В обычном микроскопе в фотоприемное устройство свет попадает одновременно из различных точек образца. В конфокальном микроскопе, для того чтобы регистрировать свет только от одной точки, после объективной линзы располагается диафрагма малого размера таким образом, что свет, испускаемый анализируемой точкой, проходит через диафрагму и регистрируется, а свет от остальных точек задерживается диафрагмой, как это показано на рис. 15.31.

Рис. 15.31

Еще одна особенность состоит в том, что осветитель создает не равномерную освещенность поля зрения, а фокусирует свет в окрестностях анализируемой точки. Это может достигаться расположением второй фокусирующей системы за образцом, но при этом требуется, чтобы образец был прозрачным. Кроме того, объективные линзы обычно дорогие, поэтому использование второй фокусирующей системы для подсветки не всегда обосновано. Альтернативой является применение светоделительной пластинки, гак чтобы и падающий и отраженный свет фокусировались одним объективом. Такая схема к тому же облегчает юстировку.

Рассмотрим теперь математическую модель количественной оценки изменения контрастности при применении конфокальной микроскопии. Поскольку в конфокальном микроскопе свет дважды проходит через объектив, то функция размытия точки представляет собой произведение независимых вероятностей того, что фотон попадет в точку с ее координатами, и что фотон, вышедший из этой точки, будет зарегистрирован.

В соответствии с критерием Рэлея для разрешения получается, что разрешение в конфокальном микроскопе увеличивается, но несущественно. Для конфокального микроскопа имеем выражение для разрешения г

В то время как для обычного микроскопа

где А." = Х/п; п - коэффициент преломления; 0 - апертурный угол; D - диаметр апертуры; F- фокусное расстояние.

Основное достоинство конфокального микроскопа - не увеличение разрешения (в смысле критерия Рэлея), а существенное повышение контрастности. Тусклый объект с интенсивностью, к примеру, в 200 раз меньшей, чем у яркого, в обычный микроскоп не виден, хотя расстояние между объектами может быть намного больше того, что предписано критерием Рэлея. Напротив, конфокальный микроскоп такой объект должен зарегистрировать.

Важным параметром является размер диафрагм в фокальной плоскости облучающей и собирающей линз. Изображение диафрагмы в плоскости объекта определяет, свет из каких областей регистрируется фотодетектором. Очевидно, однако, что уменьшение размера диафрагмы приводит к уменьшению количества проходящего света, снижает отношение сиг- нал/шум и, в конечном итоге, может свести на нет все достигнутые преимущества по контрастности. Таким образом, стоит вопрос об оптимальном выборе размера диафрагмы и разумном компромиссе.

Диафрагма с отверстием меньше размера пятна Эйри просто приводит к потере интенсивности и никак не влияет на разрешение. Диафрагма размером в одно пятно Эйри позволяет по максимуму использовать разрешающую способность объективной линзы. Но размер диафрагмы, примерно в 3-5 раза больший пятна Эйри, представляется наиболее подходящим. Следует понимать, что обсуждаемый здесь размер имеет смысл размера изображения в плоскости объекта, а поэтому реальный размер отверстия в диафрагме зависит от увеличения линзы. В частности, при использовании 100-кратной линзы диафрагма с отверстием 1 мм будет спроецирована в плоскость объекта в круг радиусом 10 мкм.

Развитием идеи конфокальной микроскопии явилась разработка конфокального лазерного сканирующего микроскопа (КЛСМ), что было вызвано потребностью в более чувствительных и метрологически строгих средствах анализа формы и пространственной структуры наблюдаемых объектов. Схема КЛСМ с основными функциональными связями показана на рис. 15.32.

Рис. 15.32. 1 - координатный столик; 2- исследуемый образец;

3,6 - объективы; 4 - сканирующее устройство; 5 - светоделительная пластина; 7, 9- игольчатые диафрагмы; 8- приемник излучения; 10 - лазер; 11 - блок управления; 12 - компьютер; 13 - привод для сканирования по оси Z

Особенность КЛСМ заключается в возможности послойного изображения исследуемого объекта с высоким разрешением и низким уровнем шумов. Достигается это путем пошагового сканирования объекта сфокусированным пучком света от когерентного источника или с использованием столика со специальными флуоресцентными зондами, а также особыми методами ограничения световых потоков.

Разрешение КЛСМ определяется как оптической системой, так и электронным трактом обработки информации. Поэтому в конструкции КЛСМ, его схемах должны быть согласованы такие параметры, как разрешение оптической системы, шаг сканирования, характеристики детектора, а кроме того, выбраны оптимальные алгоритмы обработки и соответствующее программное обеспечение.

В общем случае глубина резкости КЛСМ зависит от апертуры, длины волны, когерентности источников света и размеров игольчатой диафрагмы. Игольчатая диафрагма (ИД) является основным элементом конструкции, отличающим КЛСМ от других типов микроскопов. Игольчатые диафрагмы предназначены для создания условий максимальной или полной фильтрации света, попадающего в плоскость формирования изображения от точек, которые не совпадают с фокальной плоскостью или находятся рядом с анализируемым элементом объекта в фокальной плоскости.

Выбор оптимального диаметра ИД важен для получения требуемых характеристик прибора. Соотношения для оценки латерального разрешения и глубины резкости КЛСМ получаются в предположении, что ИД имеет малое отверстие, являясь светящейся точкой. Реально размер ИД конечен, и от него зависят поперечное разрешение прибора, яркость освещенных элементов препарата, смещенных относительно фокальной плоскости по оси Z, и глубина резкости.

При небольшом диаметре ИД световой поток становится малым, что уменьшает отношение сигнал/шум и снижает контрастность. При большом диаметре эффективность диафрагмы снижается за счет уменьшения апертуры.

Развитие генной инженерии, протеомики, биотехнологии, современной фармацевтики и биомедицины способствовало быстрому внедрению новых методов конфокальной микроскопии, и в настоящее время они широко используются в клеточной биологии.

Конфокальную флуоресцентную микроскопию можно рассматривать как разновидность традиционной флуоресцентной микроскопии, которая позволяет исследовать внутреннюю микроструктуру клеток, причем не только фиксированных, но и живых, идентифицировать микроорганизмы, структуры клетки и отдельные молекулы, наблюдать динамические процессы в клетках. Конфокальная флуоресцентная микроскопия в дополнение к этому обеспечила возможность трехмерного субмикронного разрешения объекта и существенно расширила возможность неразрушающего анализа прозрачных образцов. Повышение разрешающей способности достигается благодаря использованию в конфокальных микроскопах лазеров в качестве источников света и конфокальной диафрагмы для фильтрации внефокусной флуоресценции. Преимущество лазеров по сравнению с ртутными или ксеноновыми лампами заключается в монохроматичности и высокой параллельности испускаемого пучка света. Эти свойства лазерного излучения обеспечивают более эффективную работу оптической системы микроскопа, уменьшают число бликов, улучшают точность фокусировки пучка света. На образце лазер освещает не все поле зрения, как в ламповом флуоресцентном микроскопе, а фокусируется в точку. Конечно, при этом лазерный луч возбуждает флуоресценцию как в точке фокуса, так и во всех слоях образца, через которые проходит. И если эта внефокусная флуоресценция, излучаемая слоями, расположенными выше и ниже фокальной плоскости, регистрируется вместе с основным сигналом из фокуса объектива, это ухудшает разрешение оптической системы. Избавиться от внефокусной флуоресценции позволяет конфокальная диафрагма. Изменяя диаметр конфокальной диафрагмы, можно определять толщину оптического слоя вблизи фокуса лазерного луча, поэтому флуоресценция, испускаемая выше и ниже фокуса, оказывается дефокусированной на конфокальной диафрагме и не регистрируется. Благодаря этому конфокальная микроскопия обеспечивает улучшенное разрешение, в первую очередь вдоль оси Z.

Современная конфокальная микроскопия позволяет решать три основные задачи: изучение тонкой структуры клетки, колоколизации (пространственного взаиморасположения) в клетке двух или более веществ, а так же исследование динамических процессов, протекающих в живых клетках.

Благодаря улучшенному разрешению, особенно повышенному разрешению по оси Z, и возможности создавать серии «оптических» срезов, конфокальный микроскоп позволяет исследовать тонкую структуру объекта в трехмерном пространстве. Специальные программы позволяют создать из серии оптических срезов объемное изображение объекта (3D) и как бы рассматривать его под разными углами зрения, что может дать ценную информацию о форме клеток, цитоскелете, структуре ядра, хромосомах и даже локализации в них отдельных генов, а так же о взаиморасположении этих элементов.

Использование мультиспектрального (с несколькими флуорохромами) режима работы лазерного сканирующего конфокального микроскопа позволяет исследовать колоколизацию (пространственное взаиморасположение) в клетке двух или более разных веществ, например, белков, помеченных разными флуоресцентными красителями. Исследуя такие препараты в обычном флуоресцентном микроскопе, нельзя с уверенностью утверждать, находятся эти вещества рядом или одно под другим. С помощью метода оптических срезов и дальнейшей 3D-реконструкции объекта можно воссоздать объемное распределение веществ. Мультиспектральный режим так же позволяет проводить на конфокальном микроскопе исследования методом FISH.

Анализ интенсивности и формы спектров собственной флуоресценции позволяет распознавать нормальные и воспаленные клетки, и такой метод, в частности, предложен в качестве нового способа ранней диагностики шейки матки.

Подобрав комбинацию фильтров для нескольких типов собственной флуоресценции, возможно без проведения гистохимического окрашивания и трудоемкого получения и исследования множества срезов различать злокачественные и нормальные тканевые структуры в биопсийных пробах лимфоузлов пациентов с лимфоаденопатией различного происхождения.

Методы конфокальной микроскопии широко применяются в эмбриологии и гидробиологии, ботанике, зоологии при изучении структуры гамет, развития и формирования организмов.

История

В 50-х годах биологам понадобилось увеличить контраст наблюдения меченых флюорохромами объектов в толстых срезах тканей . Для разрешения этой проблемы Марвин Минский , профессор в США, предложил использовать для флуоресцентных микроскопов конфокальную схему. В 1961 г. Минский получил на эту схему патент .

Принцип работы

Конфокальный микроскоп имеет разрешение такое же как и обычный микроскоп и ограничено оно дифракционным пределом .

где длина волны излучения, - числовая апертура объектива, - показатель преломления среды между образцом и объективом, - половина угла, который «захватывает» объектив. В видимом диапазоне разрешение составляет ~ 250 нм (NA=1,45, n=1,51) Однако, в последние годы успешно развиваются схемы микроскопов, которые используют нелинейные свойства флуоресценции образцов. В этом случае достигается разрешение значительно меньшее дифракционного предела и составляет ~ 3-10 нм .

Конфокальный микроскоп создаёт чёткое изображение образца, которое при использовании обычного микроскопа представляется размытым. Это достигается путем отрезания апертурой фонового света идущего из глубины образца, то есть того света, который не попадает на фокальную плоскость объектива микроскопа. В результате изображение получается с контрастом лучшим, чем в обычном оптическом микроскопе.

Изображение представляет собой двумерную (2D) картину.

См. также

Преимущества в биологии перед другими микроскопами

Показатель преломления биологических объектов почти такой же как у стекла, поэтому наблюдение этих объектов, находящийся на поверхности предметного стекла, в обычном микроскопе весьма затруднено. Конфокальный микроскоп, имеющий высокий контраст, даёт две неоценимые возможности: он позволяет исследовать ткани на клеточном уровне в состоянии физиологической жизнедеятельности, а также оценивать результаты исследования (то есть клеточной активности) в четырёх измерениях - высота, ширина, глубина и время.

Примечания

Ссылки

• Molecular Expressions : Laser Scanning Confocal Microscopy
• Nikon’s MicroscopyU . Comprehensive introduction to confocal microscopy.
• Emory’s Physics Department . Introduction to confocal microscopy and fluorescence.
• The Science Creative Quarterly’s overview of confocal microscopy - high res images also available.
• Programmable Array Microscope - Confocal Microscope Capabilities.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Конфокальный микроскоп" в других словарях:

У этого термина существуют и другие значения, см. Микроскоп (значения). Микроскоп, 1876 год … Википедия

Атомно силовой микроскоп Атомно силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM atomic force microscope) сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от дес … Википедия

Общее название методов наблюдения в микроскоп неразличимых человеческим глазом объектов. Подробнее см. в ст. (см. МИКРОСКОП). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия

- (англ. nitrogen vacancy center) или азото замещённая вакансия в алмазе это один из многочисленных точечных дефектов алмаза. Дефект представляет собой нарушение строения кристаллической решётки алмаза, возникающий при удалении атома… … Википедия

В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Мински. В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Минский. Марвин Ли Мински англ. Marvin Lee Minsky … Википедия

Мински, Марвин Ли Американский учёный в области искусственного интеллекта Дата рождения: 9 августа 1927(19270809) … Википедия

Мински, Марвин Ли Американский учёный в области искусственного интеллекта Дата рождения: 9 августа 1927(19270809) … Википедия

Мински, Марвин Ли Американский учёный в области искусственного интеллекта Дата рождения: 9 августа 1927(19270809) … Википедия

Ли Американский учёный в области искусственного интеллекта Дата рождения: 9 августа 1927(19270809) … Википедия

Книги

• Конфокальная микроскопия и ультрамикроскопия живой клетки , Свищев Георгий Михайлович. Конфокальный микроскоп - это разновидность сканирующего светового микроскопа. При исследовании толстых объектов он дает изображения, свободные от фона, которые вобычных микроскопах создается…