Трехмерный анализ микро- и наноструктуры ткани легкого методом сканирующей зондовой нанотомографии

Цель. Провести анализ трехмерной микро- и наноструктуры и количественных морфологических параметров ткани легкого крысы. Материалы и методы. Для исследования, были получены образцы ткани легкого крысы породы Wistar. Изучение трехмерной структуры ткани легкого было выполнено методом сканирующей зондовой нанотомографии при помощи экспериментальной установки, объединяющей ультрамикротом и сканирующий зондовый микроскоп. Результаты. Получены наномасштабные изображения и трехмерные нанотомографические реконструкции участков межальвеолярных перегородок легкого крысы. Определены морфологические параметры поверхности межальвеолярной перегородки: средняя шероховатость, удельная эффективная площадь. Установлено, что средняя шероховатость реконструированной поверхности перегородкисоставляет 345,4 ± 24,5 нм, а удельная эффективная площадь 2,7 ± 0,2 ед. Выводы. Полученные в результате исследования данные демонстрируют, что технология сканирующей зондовой нанотомографии позволяет определять количественные характеристики морфологии ткани легкого. Использование метода сканирующей зондовой нанотомографии для трехмерного анализа структуры и характеристик ткани легкого позволит повысить эффективность разработок по созданию новых критериев диагностики патологических состояний.

1. Zankel A, Wagner J, Poelt P. Serial sectioning methods for 3D investigations in materials science. Micron. 2014; 62: 66–78. doi: 10.1016/j.micron.2014.03.002.

2. Alekseev A, Efimov A, Loos J, Matsko N, Syurik J. Three-dimensional imaging of polymer materials by Scanning Probe Tomography. Eur Polym J. 2014; 52: 154–165. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2014.01.003.

3. Kremer A, Lippens S, Bartunkova S, Asselbergh B, Blanpain C, Fendrych M et al. Developing 3D SEM in a broad biological context. J Microsc. 2015; 259 (2): 80–96. doi: 10.1111/jmi.12211.

4. Sulkin MS, Yang F, Holzem KM, Van Leer B, Bugge C, Laughner JI et al. Nanoscale three-dimensional imaging of the human myocyte. J Struct Biol. 2014; 188 (1): 55–60. doi: 10.1016/j.jsb.2014.08.005.

5. Dahl R, Larsen S, Dohlmann TL, Qvortrup K, Helge JW, Dela F, Prats C. Three-dimensional reconstruction of the human skeletal muscle mitochondrial network as a tool to assess mitochondrial content and structural organization. Acta Physiol. 2015; 213: 145–155. doi: 10.1111/apha.12289.

6. Glancy B, Hartnell LM, Malide D, Yu Z-X, Combs CA, Connelly PS et al. Mitochondrial reticulum for cellular energy distribution in muscle. Nature. 2015; 523: 617–620. doi: 10.1038/nature14614.

7. Bailey RJ, Geurts R, Stokes DJ, de Jong F, Barber AH. Evaluating focused ion beam induced damage in soft materials. Micron. 2013; 50: 51–56. doi: 10.1016/j.micron.2013.04.005.

8. Linkov P, Artemyev M, Efimov AE, Nabiev I. Comparative advantages and limitations of the basic metrology methods applied to the characterization of nanomaterials Nanoscale. 2013; 5: 8781–8798. doi: 10.1039/c3n-r02372a.

9. Binnig G, Quate CF, Gerber C. Atomic force microscope. Phys Rev Lett. 1986; 56 (9): 930–933. doi: 10.1103/PhysRevLett.56.930.

10. Magonov SN, Reneker DH. Characterization of polymer surfaces with atomic force microscopy. Annu Rev Mater Sci. 1997; 27 (1): 175–222. doi: 10.1146/annurev.matsci.27.1.175.

11. Gallyamov MO. Scanning Force Microscopy as Applied to Conformational Studies in Macromolecular Research. Macromol Rapid Commun. 2011; 32 (16): 1210–1246. doi: 10.1002/marc.201100150.

12. Efimov AE, Moisenovich MM, Bogush VG, Agapov II. 3D nanostructural analysis of silk fibroin and recombinant spidroin 1 scaffolds by scanning probe nanotomography. RSC Adv. 2014; 4: 60943–60947. doi: 10.1039/c4ra08341e.

13. Efimov AE, Agapova OI, Safonova LA, Bobrova MM, Parfenov VA, Koudan EV et al. 3D scanning probe nanotomography of tissue spheroid fibroblasts interacting with electrospun polyurethane scaffold. Express Polymer Letters. 2019; 13 (7): 632–641. doi: 10.3144/expresspolymlett.2019.53.

14. Gómez-Pozos H, González-Vidal JL, Torres GA, de la Luz Olvera M, Castañeda L. Physical Characterization and Effect of Effective Surface Area on the Sensing Properties of Tin Dioxide Thin Solid Films in a Propane Atmosphere. Sensors. 2014; 14: 403–415. doi: 10.3390/s140100403.

15. Hsia CCW, Hyde DM, Ochs M, Weibel ER. How to Measure Lung Structure – What For? On the «Standards for the Quantitative Assessment of Lung Structure». Respir Physiol Neurobiol. 2010; 171 (2): 72–74. doi: 10.1016/j.resp.2010.02.016.

16. Yang L, Feuchtinger A, Möller W, Ding Y, Kutschke D, Möller G et al. Three-Dimensional Quantitative Co-Mapping of Pulmonary Morphology and Nanoparticle Distribution with Cellular Resolution in Nondissected Murine Lungs. ACS Nano. 2019; 13 (2): 1029–1041. doi: 10.1021/acsnano.8b07524.