Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd2732310.32607/actanaturae.27323ReviewsОбзорыReview ArticleUltrastructural 3D Microscopy for Biomedicine: Principles, Applications, and PerspectivesУльтраструктурная 3D-микроскопия для биомедицины. Принципы, применение, перспективыMochalovK. E.МочаловК. Е.
Russian Federation
voleinik@mail.ruKorzhovD. S.КоржовД. С.
Russian Federation
voleinik@mail.ruAltuninaA. V.АлтунинаА. В.
Russian Federation
voleinik@mail.ruAgapovaO. I.АгаповаО. И.
Russian Federation
voleinik@mail.ruOleinikovV. A.ОлейниковВ. А.
Russian Federation
voleinik@mail.ruShemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАНNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)Academician V.I. Shumakov National Medical Research Center of Transplantology and Artificial Organs, Ministry of Health of the Russian FederationНациональный медицинский исследовательский центр трансплантологии и искусственных органов им. академика В.И. Шумакова Минздрава России1005202416114290811202324012024Copyright ©; 2024, Mochalov K.E., Korzhov D.S., Altunina A.V., Agapova O.I., Oleinikov V.A.Copyright ©; 2024, Мочалов К.Е., Коржов Д.С., Алтунина А.В., Агапова О.И., Олейников В.А.2024Mochalov K.E., Korzhov D.S., Altunina A.V., Agapova O.I., Oleinikov V.A.Мочалов К.Е., Коржов Д.С., Алтунина А.В., Агапова О.И., Олейников В.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/27323

Modern biomedical research often requires a three-dimensional microscopic analysis of the ultrastructure of biological objects and materials. Conceptual technical and methodological solutions for three-dimensional structure reconstruction are needed to improve the conventional optical, electron, and probe microscopy methods, which to begin with allow one to obtain two-dimensional images and data. This review discusses the principles and potential applications of such techniques as serial section transmission electron microscopy; techniques based on scanning electron microscopy (SEM) (array tomography, focused ion beam SEM, and serial block-face SEM). 3D analysis techniques based on modern super-resolution optical microscopy methods are described (stochastic optical reconstruction microscopy and stimulated emission depletion microscopy), as well as ultrastructural 3D microscopy methods based on scanning probe microscopy and the feasibility of combining them with optical techniques. A comparative analysis of the advantages and shortcomings of the discussed approaches is performed.

Современные биомедицинские исследования зачастую требуют трехмерного микроскопического анализа ультраструктуры биологических объектов и материалов. Усовершенствование традиционных методов оптической, электронной и зондовой микроскопии, исходно позволяющих получать двумерные изображения и данные для целей реконструкции трехмерных структур, требует концептуальных технических и методических решений. В обзоре рассмотрены принципы и возможные приложения таких методик, как просвечивающая электронная микроскопия серийных срезов; техники на основе сканирующей электронной микроскопии (СЭМ): матричная томография, СЭМ с фокусированным ионным пучком и серийная СЭМ поверхности блока. Описаны техники 3D-анализа на базе современных методов оптической микроскопии сверхвысокого разрешения: стохастической оптической реконструкции и микроскопии с истощением стимулированного излучения, а также методы ультраструктурной 3D-микроскопии на базе сканирующей зондовой микроскопии и возможности их объединения с оптическими техниками. Проведен сравнительный анализ преимуществ и недостатков рассмотренных подходов.

ultrastructural 3D microscopyelectron microscopytomographysuper-resolution optical microscopyscanning probe microscopybiomedical researchультраструктурная 3D-микроскопияэлектронная микроскопиятомографияоптическая микроскопия сверхвысокого разрешениясканирующая зондовая микроскопиябиомедицинские исследованияРоссийский научный фондRussian Science Foundation22-14-00168Franken L.E., Grünewald K., Boekema E.J., Stuart M.C.A. // Small. 2020. V. 16. № 14. P. e1906198.Northover A.S., Keatley S., Elliot A.D., Hobbs R.P., Yang R., Lymbery A.J., Godfrey S.S., Wayne A.F., Thompson R.C.A. // Syst. Parasitol. 2019. V. 96. № 7. P. 553–563.Bian K., Gerber C., Heinrich A., Müller D., Scheuring S., Jiang Y. // Nat. Rev. Meth. Primers. 2021. V. 1. № 1. P. 1–36. https://doi.org/10.1038/s43586-021-00033-2Rust M.J., Bates M., Zhuang X. // Nat. Meth. 2006. V. 3. № 10. P. 793–795.Hell S.W., Wichmann J. // Opt. Lett. 1994. V. 19. № 11. P. 780–782.Schneider J.P., Hegermann J., Wrede C. // Histochem. Cell Biol. 2021. V. 155. № 2. P. 241–260.Müller-Reichert T., Mancuso J., Lich B., McDonald K. // Meth. Cell Biol. 2010. V. 96. P. 331–361.Borrett S., Hughes L. // J. Microscopy. 2016. V. 263. № 1. P. 3–9.Bogers J., Nibbeling H., Deelder A., van Marck E. // J. Histochem. Cytochem. 1996. V. 44. № 1. P. 43–48.Tokuyasu K.L. // J. Cell Biol. 1973. V. 57. P. 551–565.Gay H., Anderson T.F. // Science. 1954. V. 120. № 3130. P. 1071–1073.Miranda K., Girard-Dias W., Attias M., de Souza W., Ramos I. // Mol. Reprod. Dev. 2015. V. 82. P. 530–547.Hegermann J., Wrede C., Fassbender S., Schliep R., Ochs M., Knudsen L., Mühlfeld C. // Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 2019. V. 317. P. 778–784.Kremer A., Lippens S., Bartunkova S., Asselbergh B., Blanpain C., Fendrych M., Goossens A., Holt M., Janssens S., Krols M. // J. Microscopy. 2015. V. 259. № 2. P. 80–96.Harris K.M., Perry E., Bourne J., Feinberg M., Ostroff L., Hurlburt J. // J. Neurosci. 2006. V. 26. № 47. P. 12101–12103.Peter G., Lee D. // J. Biophys. Biochem. 1958. V. 4. № 3. P. 345–349.Aescht E., Büchl-Zimmermann S., Burmester A. Romeis Mikroskopische Technik. Berlin Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag, 2010. 551 p.Saalfeld S., Fetter R., Cardona A., Tomancak P. // Nat. Meth. 2012. V. 9. № 7. P. 717–720.Young S.L., Fram E.K., Craig B.L. // Аm. J. Anatomy. 1985. P. 174–175.Baena V., Schalek R.L., Lichtman J.W., Terasaki M. // Meth. Cell Biol. 2019. V. 152. P. 41–67.Beike L., Wrede C., Hegermann J., Lopez-Rodriguez E., Kloth C., Gauldie J., Kolb M., Maus U. A., Ochs M., Knudsen L. // Lab. Invest. 2019. V. 99. № 6. P. 830–852.Beike L., Wrede C., Hegermann J., Lopez-Rodriguez E., Kloth C., Gauldie J., Kolb M., Maus U.A., Ochs M., Knudsen L. // Lab. Invest. 2019. V. 99. № 6. P. 830–852.Schalek R., Hayworth K., Kasthuri N., Morgan J.L., Berger D., Wilson A.M., Anger P., Aderhold D., Seung H.S., Lichtman J.W. // Microscopy Microanalysis. 2012. V. 18. P. 572–573.Kasthuri N., Hayworth K., Berger D., Schalek R., Conchello J., Knowles-Barley S., Lee D., Vázquez-Reina A., Kaynig V., Jones T. // Cell. Cell Press. 2015. V. 162. № 3. P. 648–661.Smith D., Starborg T. // Tissue Cell. 2019. V. 57. P. 111–122.Titze B., Genoud C. // Biol. Cell. 2016. V. 108. № 11. P. 307–323.Knott G., Rosset S., Cantoni M. // J. Visual. Exp. 2011. V. 53. e2588.Schneider J.P., Wrede C., Mühlfeld C. // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. № 3. 1089.Mühlfeld C., Wrede C., Molnár V., Rajces A., Brandenberger C. // Histochem. Cell. Biol. 2021. V. 155. № 2. P. 261–269.McIntosh R., Nicastro D., Mastronarde D. // Trends Cell Biol. 2005. V. 15. № 1. P. 43–51.Ni T., Frosio T., Mendonça L., Sheng Y., Clare D., Himes B.A., Zhang P. // Nat. Protoc. 2022. V. 17. P. 421–444.Al-Amoudi A., Chang J., Leforestier A., McDowall A., Salamin L., Norlén L., Richter K., Blanc N., Studer D., Dubochet J. // EMBO J. 2004. V. 23. № 18. P. 3583–3588.Dubochet J., McDowall A.W.V. // J. Microsc. 1981. V. 124. № 3. P. 3–4.Saghi Z., Midgley P.A. // Ann. Rev. Materials Res. 2012. V. 42. P. 59–79.Neumüller J. // Wien Med. Wochenschr. 2018. V. 168. № 11–12. P. 322–329.Ercius P., Alaidi O., Rames M.J., Ren G. // Adv. Materials. 2015. V. 27. № 38. P. 5638–5663.Vanhecke D., Asano S., Kochovski Z., Fernandez-Busnadiego R., Schrod N., Baumeister W., Lučić V. // J. Microsc. 2011. V. 242. № 3. P. 221–227.West J.B., Fu Z., Deerinck T.J., Mackey M.R., Obayashi J.T., Ellisman M.H. // Respir. Physiol. Neurobiol. 2010. V. 170. № 2. P. 202–209.Höög J.L., Schwartz C., Noon A.T., O’Toole E.T., Mastronarde D.N., McIntosh J.R., Antony C. // Dev. Cell. 2007. V. 12. № 3. P. 349–361.Lučić V., Förster F., Baumeister W. // Annu. Rev. Biochem. 2005. V. 74. P. 833–865.Gan L., Jensen G.J. // Quarterly Rev. Biophys. 2012. V. 45. № 1. P. 27–56.Frey T.G., Perkins G.A., Ellisman M.H. // Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. Annu. Rev. 2006. V. 35. № 1. P. 199–224.Zipfel W.R., Williams R.M., Webb W.W. // Nat. Biotechnol. 2003. V. 21. № 11. P. 1369–1377.Gugel H., Bewersdorf J., Jakobs S., Engelhardt J., Storz R., Hell S.W. // Biophys. J. 2004. V. 87. № 6. P. 4146–4152.Min Gu. Principles of Three-Dimensional Imaging in Confocal Microscopes. Singapore: World Scientific Publishing Co Pte Ltd, 1996. 352 p.Huang B., Wenqin W., Bates M., Zhuang X. // Science. 2008. V. 319. № 5864. P. 807–810.Skvortsov A.V. Delaunay triangulation and its application. Tomsk: University Press, 2002. 128 p.Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и ее применение. Томск: Изд-во Томского университета, 2002. 128 с.Yildiz A., Forkey J.N., McKinney S.A., Ha T., Goldman Y.E., Selvin P.R. // Science. 2003. V. 300. № 5628. P. 2061–2065.Rust M.J., Bates M., Zhuang X. // Nat. Meth. 2006. V. 3. № 10. P. 793–795.Betzig E., Patterson G., Sougrat R., Lindwasser W., Olenych S., Bonifacino J., Davidson M., Lippincott-Schwartz J., Hess H. // Science. 2006. V. 313. № 5793. P. 1642–1645.Heilemann M., van de Linde S., Schüttpelz M., Kasper R., Seefeldt B., Mukherjee A., Tinnefeld P., Sauer M. // Angewandte Chemie. 2008. V. 47. № 33. P. 6172–6176.Vogelsang J., Cordes T., Forthmann C., Steinhauer C., Tinnefeld P. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009. V. 106. № 20. P. 8107–8112.Cordes T., Strackharn M., Stahl S.W., Summerer W., Steinhauer C., Forthmann C., Puchner E.M., Vogelsang J., Gaub H.E., Tinnefeld P. // Nano Lett. 2010. V. 10. № 2. P. 645–651.Jungmann R., Avendaño M., Woehrstein J., Dai M., Shih W., Yin P. // Nat. Meth. 2014. V. 11. № 3. P. 313–318.Sharonov A., Hochstrasser R. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006. V. 103. № 50. P. 18911–18916.Holtzer L., Meckel T., Schmidt T. // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. № 5. 053902.Bates M., Huang B., Dempsey G.T., Zhuang X. // Science. 2007. V. 317. P. 1749–1753.Bianchini P., Peres C., Oneto M., Galiani S., Vicidomini G., Diaspro A. // Cell Tissue Res. 2015. V. 360. № 1. P. 143–150.Galiani S., Harke, B., Vicidomini G., Lignani G., Benfenati F., Diaspro A., Bianchini P., Vicidomini G., Moneron G., Han K. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. V. 143. № 7. P. 3361–3371.Galiani S., Harke B., Vicidomini G., Lignani G., Benfenati F., Diaspro A., Bianchini P., Vicidomini G., Moneron G., Han K. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. V. 143. № 7. P. 3361–3371.Klar T., Jakobs S., Dyba M., Egner A., Hell S. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000. V. 97. № 15. P. 8206–8210.Willig K., Keller J., Bossi M., Hell S. // New J. Phys. 2006. V. 8. № 6. 106.Wildanger D., Medda R., Kastrup L., Hell S. // J. Microsc. 2009. V. 236. № 1. P. 35–43.Harke B., Ullal C., Keller J., Hell S. // Nano Lett. 2008. V. 8. № 5. P. 1309–1313.Willig K., Harke B., Medda R., Hell S. // Nat. Meth. 2007. V. 4. № 11. P. 915–918.Finzel L., Reuss M. // Micros. Today. 2022. V. 30. № 4. P. 26–33.Heine J., Wurm C.A., Keller-Findeisen J., Schönle A., Harke B., Reuss M., Winter F.R., Donnert G. // Rev. Sci. Instr. 2018. V. 89. № 5. P. 053701.Gwosch C.C., Pape J.K., Balzarotti F., Hoess P., Ellenberg J., Ries J., Hell S.W. // Nat. Meth. 2020. V. 17. № 2. P. 217–224.Schmidt R., Weihs T., Wurm C.A., Jansen I., Rehman J., Sahl S.J., Hell S.W. // Nat. Commun. 2021. V. 12. № 1. P. 1478.Magerle R. // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. № 13. P. 2749.Hund M., Herold H. // Rev. Sci. Instr. 2007. V. 78. № 6. 063703.Dietz C., Röper S., Scherdel S., Bernstein A., Rehse N., Magerle R. // Rev. Sci. Instr. 2007. V. 78. № 5. 053703.Rehse N., Marr S., Scherdel S., Magerle R. // Adv. Materials. 2005. V. 17. № 18. P. 2203–2206.Liedel C., Hund M., Olszowka V., Böker A. // Soft Matter. 2012. V. 8. № 4. P. 995–1002.Efimov A., Tonevitsky A., Dittrich M., Matsko N. // J. Microsc. 2007. V. 226. № 3. P. 207–216.74 Efimov A., Agapov I., Agapova O., Oleinikov V., Mezin A., Molinari M., Nabiev I., Mochalov K. // Rev. Sci. Instr. 2017. V. 88. № 2. P. 023701.Efimov A., Agapov I., Agapova O., Oleinikov V., Mezin A., Molinari M., Nabiev I., Mochalov K. // Rev. Sci. Instr. 2017. V. 88. № 2. P. 023701.Alekseev A., Efimov A., Lu K., Loos J. // Adv. Materials. 2009. V. 21. № 48. P. 4915–4919.Alekseev A., Efimov A., Loos J., Matsko N., Syurik J. // Eur. Polymer J. 2014. V. 52. № 1. P. 154–165.Mochalov K., Efimov A., Bobrovsky A., Agapov I., Chistyakov A., Oleinikov V., Sukhanova A., Nabiev I. // ACS Nano. 2013. V. 7. P. 8953–8962.Efimov A., Agapova O., Mochalov K., Agapov I. // Physics Procedia. 2015. V. 73. P. 173–176.Efimov A., Moisenovich M., Bogush V., Agapov I. // RSC Adv. Royal Soc. Chem. 2014. V. 4. № 105. P. 60943–60947.Efimov A.E., Agapov I.I. // Bulletin of transplantology and artificial organs. 2014. V. 16. № 3. P. 109–116.Ефимов А.Е., Агапов И.И. // Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2014. В. 16. № 3. C. 109–116.Safonova L., Bobrova M., Efimov A., Lyundup A., Agapova O., Agapov I. // Pharmaceutics. 2021. V. 13. P. 1561.Safonova L., Bobrova M., Efimov A., Davydova L., Tenchurin T., Bogush V., Agapova O., Agapov I. // Pharmaceutics. 2021. V. 13. P. 1704.Balashov V., Efimov A., Agapova O., Pogorelov A., Agapov I., Agladze K. // Acta Biomater. 2018. V. 68. P. 214–222.Efimov A.E., Agapova O.I., Safonova L.A., Bobrova M.M., Parfenov V.A., Koudan E.V., Pereira F.D.A.S., Bulanova E.A., Mironov V.A., Agapov I.I. // Express Polym. Lett. 2019. V. 13. Р. 632–641.Efimov A.E., Gnaegi H., Schaller R., Grogger W., Hofer F., Matsko N. // Soft Matter. 2012. V. 8. № 38. P. 9756–9760.Efimov A.E., Agapova O.I., Safonova L.A., Bobrova M.M., Volkov A.D., Khamkhash L., Agapov I.I. // RSC Adv. 2017. V. 7. P. 8808–8815.Efimov A., Agapova O., Safonova L., Bobrova M., Agapov I. // Russian Journal of Transplantology and Artificial Organs. 2017. V. 19. № 4. P. 78–87.Ефимов А., Агапова О., Сафонова Л., Боброва М., Агапов И. // Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2018. В. 19. № 4. С. 78–87.Efimov A.E., Agapov I.I., Agapova O.I., Oleinikov V.A., Mezin A.V., Molinari M., Nabiev I., Mochalov K.E. // Rev. Sci. Instrum. 2017. V. 88. Р. 023701.Mochalov K.E., Chistyakov A.A., Solovyeva D.O., Mezin A.V., Oleinikov V.A., Vaskan I.S., Molinari M., Agapov I.I., Nabiev I., Efimov A.E. // Ultramicroscopy. 2017. V. 182. P. 118–123.Efimov A.E., Bobrovsky A.Y., Agapov I.I., Agapova O.I., Oleinikov V.A., Nabiev I.R., Mochalov K.E. // Technical Physics Lett. 2016. V. 42. № 2. P. 171–174.Agapova O.I., Efimov A.E., Safonova L.A., Bobrova M.M., Agapov I.I., Gautier S.V. // Dokl Biochem Biophys. 2021. V. 500. № 1. P. 331–334.Агапова О.И., Ефимов А.Е., Сафонова Л.А., Боброва М.М., Агапов И.И., Готье С.В. // Доклады РАН. Науки о жизни. 2021. Т. 500. № 1. С. 483–487.Agapova O.I., Efimov A.E., Mochalov K.E., Solovyova D.O., Gileva A.M., Markvicheva E.A., Yakovlev D.V., Lundup A.V., Oleinikov V.A., Agapov I.I., Gauthier S.V. // Dokl Biol Sci. 2023. V. 509. № 1. P. 103–106.Агапова О.И., Ефимов А.Е., Мочалов К.Е., Соловьева Д.О., Гилева А.М., Марквичева Е.А., Яковлев Д.В., Люндуп А.В., Олейников В.А., Агапов И.И., Готье С.В. // Доклады РАН. Науки о жизни. 2023. Т. 509. № 1. С. 119–123.