Рентгеновская микроскопия представляет собой метод визуализации биологических объектов на нанометровом уровне, основанный на использовании когерентного и яркого рентгеновского излучения, генерируемого на синхротронных источниках. В отличие от оптической микроскопии, ограниченной дифракционным пределом света, рентгеновские лучи обладают существенно меньшей длиной волны (в диапазоне 0,1–10 нм), что позволяет достичь пространственного разрешения порядка десятков нанометров.
Синхротронное излучение дает возможность получать интенсивные, монохроматические и пространственно когерентные пучки, что критически важно для формирования высококачественных изображений живых клеток. Применение мягкого рентгеновского диапазона (так называемое «водное окно» — между краями поглощения углерода и кислорода, 284–543 эВ) обеспечивает естественный контраст между водой и органическими молекулами, что позволяет визуализировать структуру клеток без применения красителей и контрастирующих агентов.
Оптические системы. Для рентгеновской микроскопии применяются специальные оптические элементы — зонные пластинки Френеля, зеркала Керкпатрика–Баезе, а также дифракционные решетки. Эти устройства обеспечивают фокусировку пучка до размеров менее 30 нм, что делает возможным изучение ультраструктуры клеточных органелл.
Детекторы. Используются высокочувствительные электронные и фотонные детекторы, способные регистрировать слабые рассеянные сигналы без существенного шума. Важную роль играет низкий уровень флуктуаций, обеспечиваемый синхротронными пучками.
Криофиксация и поддержание жизнедеятельности. Одним из вызовов при работе с живыми клетками является радиационное повреждение. Для минимизации этого эффекта используют низкие дозы излучения, криогенное охлаждение и быструю фиксацию образцов. Современные методики также позволяют проводить эксперименты с живыми клетками in situ, применяя специальные микроинкубаторы, поддерживающие физиологические условия.
Изучение субклеточных структур. Методика применяется для исследования митохондрий, эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи и других органелл в их естественном состоянии. Рентгеновские изображения позволяют различать липидные мембраны, белковые агрегаты и нуклеопротеидные комплексы.
Динамические процессы. Использование скоростных детекторов и синхротронных импульсов открывает возможность наблюдать быстрые биохимические процессы в клетке: транспорт везикул, взаимодействие белков, перестройку мембран.
Исследование патологических изменений. Рентгеновская микроскопия используется для изучения клеток, поражённых вирусами или опухолевыми процессами. Сравнение нормальных и аномальных клеток позволяет выявить морфологические и биохимические маркеры заболевания.
Помимо прямой микроскопии, важным направлением является рентгеновская томография живых клеток. Вращение образца и регистрация серии проекций позволяют построить трехмерное изображение с нанометровой детализацией.
Также применяются методы фазового контраста, усиливающие различия в показателе преломления между клеточными структурами. Это существенно повышает видимость слабоконтрастных объектов, таких как липидные мембраны и внутриклеточные каналы.
Несмотря на значительные преимущества, рентгеновская микроскопия живых клеток сталкивается с рядом проблем:
Однако развитие источников четвертого поколения, обладающих ещё большей яркостью и когерентностью, открывает перспективы создания рентгеновских микроскопов с разрешением ниже 10 нм и возможности наблюдать динамику живых клеток в реальном времени без значительного ущерба их жизнеспособности.