Квантовая микроскопия на наноалмазах показала среду в клетке

Подробно

Что именно создали исследователи?

Статья «Quantum-sensing-based super-resolution live cell microenvironment imaging» вышла в Nature Communications 10 октября 2026 года. Рукопись поступила в редакцию 3 декабря 2025 года и была принята 22 сентября 2026 года. Издатель обозначает публикацию как раннюю рецензируемую версию, которая ещё пройдёт редактуру. Когда проводились сами эксперименты, в статье не указано.

Метод получил название Super-resolution Multi-physical field Imaging with Deconvolution (SMID). Он объединяет три подхода:

• квантовое считывание азотно-вакансионных (NV) центров во флуоресцентных наноалмазах;
• микроскопию со структурированным освещением;
• вычислительную деконволюцию изображения.

«Мы представляем подход квантового биосенсинга со сверхразрешением», - так авторы описывают работу в аннотации. Метод реализован на собственной установке, которая объединяет NV-датчики и микроскопию со структурированным освещением.

В работе 11 авторов. Равный вклад указан для Yuxian Lu, Yibo Yang и Ke Xu, автор для переписки - Jiandong Feng. С января 2023 года он профессор химического факультета Чжэцзянского университета. Основная организация - Лаборатория экспериментальной физической биологии химического факультета этого университета. В исследовании также участвовали Чжэцзянский педагогический университет и Китайский университет метрологии. Работу финансировали китайские научные фонды, авторы заявили об отсутствии конфликта интересов.

Как квантовые датчики измеряют среду внутри клетки?

Датчиками служат 100-нанометровые флуоресцентные наноалмазы с NV-центрами. Чтобы зонды попали внутрь, клетки HeLa выдерживали с наноалмазами 20-24 часа при конечной концентрации 0,05 мг/мл. Митохондрии дополнительно окрашивали красителем PK Mito Red. Значит, метод не обходится без введения зондов в клетку.

Микрозеркальное устройство формирует девять рисунков зелёного освещения с длиной волны 532 нм: три направления полос и три фазовых сдвига. Кроме того, установка управляет микроволновым воздействием на NV-центры и регистрирует их флуоресценцию.

У метода несколько каналов измерения:

• SMID-OPT - оптическое изображение со сверхразрешением;
• SMID-TEMP - локальная температура, которую оценивают по сдвигу резонанса NV-центров;
• SMID-T1 - время спиновой релаксации NV-центров. Оно зависит от окружающих парамагнитных ионов и радикалов.

В живой клетке авторы трактуют T1 как показатель относительного уровня активных форм кислорода. Отдельные молекулы этот канал не определяет. В контрольных опытах in vitro исследователи проверили отклик T1 на гидроксильные радикалы и ионы гадолиния. При изменении pH в физиологическом диапазоне 6,8-7,4 значение T1 менялось меньше чем на 1,5%. Это подкрепляет предложенную интерпретацию, но показывает и другое: сигнал T1 реагирует не только на активные формы кислорода.

Что увидели в живых клетках HeLa?

Исследователи сравнили показания зондов возле митохондрий, в цитоплазме и в ядре. В районе митохондрий T1 оказалось короче. Авторы связывают это с более высоким относительным уровнем активных форм кислорода.

Затем к клеткам добавили фермент супероксиддисмутазу (конечная концентрация 1000 Ед/мл), а после неё - разобщитель CCCP (карбонилцианид-3-хлорфенилгидразон, 10 мкМ). Усреднённый широкопольный сигнал менялся довольно плавно. SMID-T1 при этом выявил пять типов локального отклика. В одном из них сигнал колебался, и авторы считают это возможными колебаниями уровня активных форм кислорода.

«Наблюдаемая динамика может отражать обратную связь в клеточной окислительно-восстановительной системе», - пишут авторы. В качестве примеров они называют периодическую активацию антиоксидантной защиты или колебания активности митохондрий.

Это гипотеза: механизм колебаний в работе не установлен.

Наблюдение за живыми клетками длилось около часа. В дополнительном исследовании при использованной мощности импульсного освещения 0,006 кВт/см² морфология митохондрий заметно не менялась в течение 60 минут. При 0,0011 кВт/см² наблюдение удалось продлить более чем до 135 минут. Эти данные получены только для указанных режимов и не доказывают, что фототоксичности нет при любых условиях.

Насколько точен метод: что значат 136 нм и 150 мс?

В аннотации рядом стоят три показателя: разрешение 136 нм, временное разрешение 150 мс и поле зрения 180 × 180 мкм². Но получены они в разных проверках и режимах:

• 136 нм - разрешение, измеренное методом корреляции Фурье на образцах наноалмазов in vitro, а не на карте живой клетки;
• 161 нм и 178 нм - разрешение в живой клетке для оптического изображения SMID-OPT и карты времени релаксации SMID-T1 соответственно;
• 150 мс - временное разрешение режима SMID-T1. Девять рисунков освещения снимают с экспозицией 50 мс каждый, а следующие кадры рассчитывают скользящим окном. В сравнительной таблице приложения для этого показателя указано поле 36 × 36 мкм²;
• 180 × 180 мкм² за 12 секунд - отдельный режим: многомодальное изображение собрано из 25 участков по схеме 5 × 5.

Данных о том, что все три показателя достигнуты одновременно на одной карте живой клетки, в работе нет. Стоимость установки и планы её коммерческого выпуска статья не называет.

Чем новая работа отличается от прежних алмазных датчиков?

Наноалмазы с NV-центрами применяют в биологии уже больше десяти лет. В 2013 году группа Г. Кучко измерила температуру в живой клетке с помощью NV-центров и составила карту локального нагрева. В 2021 году группа L. Nie отслеживала квантовыми алмазными датчиками метаболическую активность отдельных митохондрий, в том числе их реакцию на CCCP. Так что измерять алмазными датчиками процессы, связанные с радикалами, умели и до SMID.

В конце 2023 года группа Feng Xu описала широкопольную квантовую алмазную микроскопию со структурированным освещением. Этот метод различал сигналы двух наноалмазов, которые обычная широкопольная съёмка не разделяет. В апреле 2025 года Yang Xu, Yibo Yang и коллеги из команды Jiandong Feng показали управляемый наноалмаз на стеклянной нанопипетке. С его помощью они измеряли температуру и сигналы, связанные со свободными радикалами, локально, внутри одной живой клетки.

SMID соединяет эти направления: сверхразрешение и квантовое считывание применены для многомодального наблюдения за средой в живых клетках, а зонды по всей клетке считываются параллельно. Независимых экспертных оценок этой работы на момент публикации найти не удалось. Выводы пока основаны на одной клеточной линии с введёнными наноалмазами, а данные об активных формах кислорода получены через интерпретацию сигнала T1.