cfpdБюллетень физиологии и патологии дыханияBulletin Physiology and Pathology of Respiration1998-5029Дальневосточный научный центр физиологии и патологии дыхания10.36604/1998-5029-2021-81-135-143cfpd-970Research ArticleОБЗОРЫREVIEWSСовременные возможности и перспективы конфокальной лазерной сканирующей микроскопии в морфологических исследованиях (обзор литературы)Current opportunities and prospects of confocal laser scanning microscopy in morphological research (review)ДорофиенкоН. Н.DorofienkoN. N.

Николай Николаевич Дорофиенко - кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник, лаборатория механизмов этиопатогенеза и восстановительных процессов дыхательной системы при неспецифических заболеваниях легких.

675000, Благовещенск, ул. Калинина, 22

Nikolay N. Dorofienko - PhD (Med.), Senior Staff Scientist, Laboratory of Mechanisms of Etiopathogenesis and Recovery Processes of the Respiratory System at Non-Specific Lung Diseases.

22 Kalinina Str., Blagoveshchensk, 675000

dorofienko-nn@mail.ruАндриевскаяИ. А.АndrievskayaI. А.

Ирина Анатольевна Андриевская - доктор биологических наук, профессор РАН, зав. лабораторией механизмов этиопатогенеза и восстановительных процессов дыхательной системы при неспецифических заболеваниях легких.

675000, Благовещенск, ул. Калинина, 22

Irina A. Andrievskaya - PhD, DSc (Biol.), Professor of RAS, Head of Laboratory of Mechanisms of Etiopathogenesis and Recovery Processes of the Respiratory System at Non-Specific Lung Diseases.

22 Kalinina Str., Blagoveshchensk, 675000

irina-andrievskaja@rambler.ruУдовиченкоО. А.UdovichenkoО. A.

Олег Алексеевич Удовиченко - начальник терапевтического отделения.

675000, Благовещенск, ул. Ленина, 172

Oleg A. Udovichenko - Head of Therapeutic Department of the Branch No. 1.

172 Lenina Str., Blagoveshchensk, 675000

udol71@mail.ruФедеральное государственное бюджетное научное учреждение Дальневосточный научный центр физиологии и патологии дыханияFar Eastern Scientific Center of Physiology and Pathology of RespirationФилиал №1 Федерального государственного казенного учреждения 411 Военный госпиталь Министерства обороны Российской ФедерацииBranch No. 1 of the 411 Military Hospital of the Ministry of Defense of the Russian Federation202129092021081135143Copyright © Дорофиенко Н.Н., Андриевская И.А., Удовиченко О.А., 20212021Дорофиенко Н.Н., Андриевская И.А., Удовиченко О.А.Dorofienko N.N., Аndrievskaya I.А., Udovichenko О.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cfpd.elpub.ru/jour/article/view/970Введение

Введение. В обзоре литературы раскрыты результаты научных трудов, относящихся к современному высокотехнологическому методу для проведения морфологических исследований в биологии и медицине – конфокальной лазерной сканирующей микроскопии. Данный метод в сочетании с иммунофлуоресцентной гистохимией может быть использован в разнообразных исследованиях: от быстрой визуализации динамических процессов в живых клетках до тщательного морфологического анализа тканей, пространственного распределения макромолекул в фиксированных или живых клетках, автоматического сбора трехмерных данных, визуализации нескольких меченых образцов и измерении физиологических процессов в живых клетках и тканях органов.

Цель

Цель. Определить современные возможности и перспективы конфокальной лазерной сканирующей микроскопии в морфологических исследованиях.

Результаты

Результаты. При проведении анализа данных научной литературы представлены возможности и перспективы применения конфокальной лазерной сканирующей микроскопии в биомедицинских и морфологических исследованиях. Показано использование конфокального метода диагностики в гинекологии, молекулярной биологии, эндокринологии, эндоскопии. Особое внимание уделено применению данного метода исследования в эмбриологии. Кроме того, приведены сведения о роли конфокальной микроскопии при изучении микробного патогенеза в трехмерном контексте. Представлены данные об истории, основных принципах, технических инновациях и преимуществах конфокальной лазерной сканирующей микроскопии.

Заключение

Заключение. Изучение современной научной литературы показало важность применения конфокальной лазерной сканирующей микроскопии в современных научных исследованиях и диагностике заболеваний в клинических условиях, что позволит по-новому взглянуть на некоторые аспекты в современной морфологии и медицине.

Introduction

Introduction. The review discloses the results of scientific works related to a modern high-tech method for conducting morphological studies in biology and medicine – confocal laser scanning microscopy. This method, in combination with immunofluorescence histochemistry, can be used in a variety of studies: from rapid visualization of dynamic processes in living cells to thorough morphological analysis of tissues, spatial distribution of macromolecules in fixed or living cells, automatic collection of three-dimensional data, visualization of several labeled samples and measurement of physiological processes in living cells and tissues of organs.

Aim

Aim. To determine the current possibilities and prospects of confocal laser scanning microscopy in morphological studies.

Results

Results. When analyzing scientific literature data, the opportunities and prospects of using confocal laser scanning microscopy in biomedical and morphological studies are presented. The use of the confocal diagnostic method in gynecology, molecular biology, endocrinology, endoscopy is shown. Particular attention is paid to the application of this research method in embryology. In addition, information about the role of confocal microscopy in the study of microbial pathogenesis in a three-dimensional context is provided. Data on the history, basic principles, technical innovations and advantages of confocal laser scanning microscopy are presented.

Conclusion

Conclusion. The study of modern scientific literature has shown the importance of using confocal laser scanning microscopy in modern scientific research and diagnosis of diseases in a clinical setting, which will allow to take a new look at some aspects in modern morphology and medicine.

конфокальная лазерная сканирующая микроскопиямедицинаморфологияфлуоресценцияклеткаconfocal laser scanning microscopymedicinemorphologyfluorescencecellReferencesBayguinov P.O., Oakley D.M., Shih C.C., Geanon D.J., Joens M.S., Fitzpatrick J-A.J. Modern laser scanning confocal microscopy // Curr. Protoc. Cytom. 2018. Vol. 85, №1. Article number: e39. doi: 10.1002/cpcy.39Bayguinov P.O., Oakley D.M., Shih C.C., Geanon D.J., Joens M.S., Fitzpatrick J-A.J. Modern Laser Scanning Confocal Microscopy. Curr. Protoc. Cytom. 2018; 85(1):e39. doi: 10.1002/cpcy.39Paddock S.W., Eliceiri K.W. Laser scanning confocal microscopy: history, applications, and related optical sectioning techniques // Methods Mol. Biol. 2014. Vol.1075. P.9–47. doi: 10.1007/978-1-60761-847-8_2Paddock S.W., Eliceiri K.W. Laser scanning confocal microscopy: history, applications, and related optical sectioning techniques. Methods Mol. Biol. 2014; 1075:9–47. doi: 10.1007/978-1-60761-847-8_2Amos W.B., White J.G. How the confocal laser scanning microscope entered biological research // Biol. Cell. 2003. Vol.95, №6. P.335–342. doi: 10.1016/s0248-4900(03)00078-9Amos W.B., White J.G. How the confocal laser scanning microscope entered biological research. Biol. Cell 2003; 95(6):335–342. doi: 10.1016/s0248-4900(03)00078-9Волков И.А., Фриго Н.В., Знаменская Л.Ф., Катунина О.Р. Применение конфокальной лазерной сканирующей микроскопии в биологии и медицине // Вестник дерматологии и венерологии. 2014. Т.90, №1. C.17–24. doi: 10.25208/0042-4609-2014-90-1-17-24Volkov I.A., Frigo N.V., Znamenskaya L.F., Katunina O.R. Application of Confocal Laser Scanning Microscopy in Biology and Medicine. Vestnik dermatologii i venerologii 2014; 90(1):17–24 (in Russian). doi: 10.25208/0042-4609-2014-90-1-17-24Потекаев Н.Н., Ткаченко С.Б., Овчинникова А.Ю., Лукашева Н.Н. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия на примере Vivascope 1500: принцип работы и возможности применения в дерматологии // Российский медицинский форум. 2008. №2. С. 38–44.Potekaev N.N., Тkachenko S.B., Оvchinnkova А.Yu., Lukashova N.N. Confocal laser scanning microscopy on the example of Vivascope 1500: principle of operation and possibilities of application in dermatology. Rossiiskiy meditsinskiy forum 2008; (2):38–44 (in Russian).Gomes da Costa S., Richter A., Schmidt U., Breuninger S., Hollricher O. Confocal raman microscopy in life sciences // Morphologie. 2019. Vol.103, №341. P.11–16. doi: 10.1016/j.morpho.2018.12.003Gomes da Costa S., Richter A., Schmidt U., Breuninger S., Hollricher O. Confocal Raman microscopy in life sciences. Morphologie 2019; 103(341):11–16. doi: 10.1016/j.morpho.2018.12.003Rigby P.J., Goldie R.G. Confocal microscopy in biomedical research // Croat. Med. J. 1999. Vol.40, №3. P.346–52.Rigby P.J., Goldie R.G. Confocal microscopy in biomedical research. Croat. Med. J. 1999; 40(3):346–352.Gräf R., Rietdorf J., Zimmermann T. Live cell spinning disk microscopy // Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 2005. Vol.95. P.57–75. doi: 10.1007/b102210Gräf R., Rietdorf J., Zimmermann T. Live cell spinning disk microscopy. Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 2005; 95:57–75. doi: 10.1007/b102210Nichols A.J., Evans C.L. Video-rate scanning confocal microscopy and microendoscopy // J. Vis. Exp. 2011. Vol.20, № 56. Article number: 3252. doi: 10.3791/3252Nichols A.J., Evans C.L. Video-rate scanning confocal microscopy and microendoscopy. J. Vis. Exp. 2011; 20(56):3252. doi: 10.3791/3252Callamaras N., Parker I. Construction of a confocal microscope for real-time x-y and x-z imaging // Cell Calcium. 1999. Vol.26, №6. P.271–279. https://doi.org/10.1054/ceca.1999.0085Callamaras N., Parker I. Construction of a confocal microscope for real-time x-y and x-z imaging. Cell Calcium 1999; 26(6):271–279. https://doi.org/10.1054/ceca.1999.0085Elliott A.D. Confocal Microscopy: Principles and Modern Practices // Curr. Protoc. Cytom. 2020. Vol.92, №1. Article number: e68. doi: 10.1002/cpcy.68.Elliott A.D. Confocal Microscopy: principles and modern practices. Curr. Protoc. Cytom. 2020; 92(1):e68. doi: 10.1002/cpcy.68Fink-Puches R., Hofmann-Wellenhof R., Smolle J., Kerl H. Confocal laser scanning microscopy: a new optical microscopic technique for applications in pathology and dermatology // J. Cutan. Pathol. 1995. Vol.22, №3. P.252–259. doi: 10.1111/j.1600-0560.1995.tb00747.xFink-Puches R., Hofmann-Wellenhof R., Smolle J., Kerl H. Confocal laser scanning microscopy: a new optical microscopic technique for applications in pathology and dermatology. J. Cutan. Pathol. 1995; 22(3):252–259. doi: 10.1111/j.1600-0560.1995.tb00747.xOno I., Sakemoto A., Ogino J., Kamiya T., Yamashita T., Jimbow K. The real-time, three-dimensional analyses of benign and malignant skin tumors by confocal laser scanning microscopy // J. Dermatol. Sci. 2006. Vol.43, №2. P.135–141. doi: 10.1016/j.jdermsci.2006.05.001Ono I., Sakemoto A., Ogino J., Kamiya T., Yamashita T., Jimbow K. The realtime, three-dimensional analyses of benign and malignant skin tumors by confocal laser scanning microscopy. J. Dermatol Science 2006; 43(2):135–141. doi: 10.1016/j.jdermsci.2006.05.001Branzan A.L., Landthaler M., Szeimies R-M. In vivo confocal scanning laser microscopy in dermatology // Lasers Med. Sci. 2007. Vol.22, №2. P.73–82. doi: 10.1007/s10103-006-0416-8Branzan A.L., Landthaler M., Szeimies R-M. In vivo confocal scanning laser microscopy in dermatology. Lasers Med. Sci. 2007; 22(2):73–82. doi: 10.1007/s10103-006-0416-8Becker B.E., Gard D.L. Visualization of the cytoskeleton in Xenopus oocytes and eggs by confocal immunofluorescence microscopy // Methods Mol. Biol. 2006. Vol.322. P.69–86. doi: 10.1007/978-1-59745-000-3_6Becker B.E., Gard D.L. Visualization of the cytoskeleton in Xenopus oocytes and eggs by confocal immunofluorescence microscopy. Methods Mol. Biol. 2006; 322:69–86. doi: 10.1007/978-1-59745-000-3_6Wertheim M.S., Mathers W.D., Suhler E.B., Wilson D.J., Rosenbaum J.T. Histopathological features of conjunctival sarcoid nodules using noninvasive in vivo confocal microscopy // Arch. Ophthalmol. 2005. Vol.123, №2. P.274–276. doi: 10.1001/archopht.123.2.274Wertheim M.S., Mathers W.D., Suhler E.B., Wilson D.J., Rosenbaum J.T. Histopathological features of conjunctival sarcoid nodules using noninvasive in vivo confocal microscopy. Arch. Ophthalmol. 2005; 123(2):274–276. doi: 10.1001/archopht.123.2.274Suihko C., Serup J. Fluorescence confocal laser scanning microscopy for in vivo imaging of epidermal reactions to two experimental irritants // Skin Res. Technol. 2008. Vol.14, №4. P.498–503. doi: 10.1111/j.1600-0846.2008.00323.xSuihko C., Serup J. Fluorescence confocal laser scanning microscopy for in vivo imaging of epidermal reactions to two experimental irritants. Skin Res. Technol. 2008; 14(4):498–503. doi: 10.1111/j.1600-0846.2008.00323.xSpecht E.A., Braselmann E, Palmer AE. A. Critical and Comparative Review of Fluorescent Tools for Live-Cell Imaging // Annu. Rev. Physiol. 2017. Vol.79. P.93–117. doi: 10.1146/annurev-physiol-022516-034055Specht E.A., Braselmann E., Palmer A.E. A Critical and Comparative Review of Fluorescent Tools for Live-Cell Imaging. Annu. Rev. Physiol. 2017; 79:93–117. doi: 10.1146/annurev-physiol-022516-034055Ni M., Zhuo S., So P.T., Yu H. Fluorescent probes for nanoscopy: four categories and multiple possibilities // J. Biophotonics. 2017. Vol.10, №1. P.11–23. doi: 10.1002/jbio.201600042Ni M., Zhuo S., So P.T., Yu H. Fluorescent probes for nanoscopy: four categories and multiple possibilities. J. Biophotonics 2017; 10(1):11–23. doi: 10.1002/jbio.201600042Paddock S.W., Eliceiri K.W. Laser scanning confocal microscopy: history, applications, and related optical sectioning techniques // Methods Mol. Biol. 2014. Vol.1075. P.9–47. doi: 10.1007/978-1-60761-847-8_2Paddock S.W., Eliceiri K.W. Laser scanning confocal microscopy: history, applications, and related optical sectioning techniques. Methods Mol. Biol. 2014; 1075:9–47. doi: 10.1007/978-1-60761-847-8_2Kaufman G., Horwitz B.A., Duek L., Ullman Y., Berdicevsky I. Infection stages of the dermatophyte pathogen Trichophyton: microscopic characterization and proteolytic enzymes // Med. Mycol. 2007. Vol.45, №2. P.149–155. doi: 10.1080/13693780601113618Kaufman G., Horwitz B.A., Duek L., Ullman Y., Berdicevsky I. Infection stages of the dermatophyte pathogen Trichophyton: microscopic characterization and proteolytic enzymes. Med. Mycol. 2007; 45(2):149–155. doi: 10.1080/13693780601113618Santoro L., Nolano M., Faraso S., Fiorillo C., Vitiello C., Provitera V., Aurino S., Nigro V. Perioral skin biopsy to study skeletal muscle protein expression // Muscle Nerve. 2010. Vol.41, №3. P.392–398. doi: 10.1002/mus.21506Santoro L., Nolano M., Faraso S., Fiorillo C., Vitiello C., Provitera V., Aurino S., Nigro V. Perioral skin biopsy to study skeletal muscle protein expression. Muscle Nerve. 2010; 41(3):392–398. doi: 10.1002/mus.21506Johansson L., Thulin P., Sendi P., Hertzén E., Linder A., Akesson P., Low D.E., Agerberth B., Norrby-Teglund A. Cathelicidin LL-37 in severe Streptococcus pyogenes soft tissue infections in humans // Infect. Immun. 2008. Vol.76, №8. P.3399–3404. doi: 10.1128/IAI.01392-07Johansson L., Thulin P., Sendi P., Hertzén E., Linder A., Akesson P., Low D.E., Agerberth B., Norrby-Teglund A. Cathelicidin LL-37 in severe Streptococcus pyogenes soft tissue infections in humans. Infect. Immun. 2008; 76(8):3399–3404. doi: 10.1128/IAI.01392-07Мокрышева Н.Г., Киселев С.Л., Клементьева Н.В., Горбачева А.М., Дедов И.И. Применение конфокальной микроскопии в фундаментальных исследованиях и клинической практике эндокринолога: современные возможности // Проблемы эндокринологии. 2019. Т.65, №3. С.174–183. https://doi.org/10.14341/probl10140Mokrysheva N.G., Kiselev S.L., Klementieva N.V., Gorbacheva A.M., Dedov I.I. The use of confocal microscopy in experimental studies and clinical practice of an endocrinologist: modern opportunities. Problems of Endocrinology 2019; 65(3):174–183 (in Russian). https://doi.org/10.14341/probl10140Tovey S.C., Brighton P.J., Willars G.B. Confocal microscopy: theory and applications for cellular signaling // Methods Mol. Biol. 2005. Vol.312. P.57–85. doi: 10.1385/1-59259-949-4:057Tovey S.C., Brighton P.J., Willars G.B. Confocal microscopy: theory and applications for cellular signaling. Methods Mol. Biol. 2005; 312:57–85. doi: 10.1385/1-59259-949-4:057Levi A., Ingber A., Enk D.C. In vivo reflectance-mode confocal laser microscopy: basic principles and clinical and research employments in dermatology // Harefuah. 2012. Vol.151, №10. P.576–580.Levi A., Ingber A., Enk D.C. In vivo reflectance-mode confocal laser microscopy: basic principles and clinical and research employments in dermatology. Harefuah 2012; 151(10):576–580.Jirkovská M., Kubínová L., Krekule I., Hach P. Spatial arrangement of fetal placental capillaries in terminal villi: a study using confocal microscopy // Anat. Embryol. (Berl.). 1998. Vol.197, №4. P.263–272. doi: 10.1007/s004290050136Jirkovská M., Kubínová L., Krekule I., Hach P. Spatial arrangement of fetal placental capillaries in terminal villi: a study using confocal microscopy. Anat. Embryol. (Berl.) 1998; 197:263–272. doi: 10.1007/s004290050136Blouin S., Roschger A., Varga F., Misof B., Spitzer S., Roschger P., Klaushofer K. Confocal laser scanning microscopy-a powerful tool in bone research // Wien Med. Wochenschr. 2018. Vol.168, №11-12. P.314–321. doi: 10.1007/s10354-018-0639-xBlouin S., Roschger A., Varga F., Misof B., Spitzer S., Roschger P., Klaushofer K. Confocal laser scanning microscopy – a powerful tool in bone research. Wien Med. Wochenschr. 2018; 168:314–321. doi:10.1007/s10354-018-0639-xSamarasena J.B., Ahluwalia A., Shinoura S., Choi K.D., Lee .JG., Chang K.J., Tarnawski A.S. In vivo imaging of porcine gastric enteric nervous system using confocal laser endomicroscopy &molecular neuronal probe // J. Gastroenterol. Hepatol. 2016. Vol.31, №4. P.802–807. doi: 10.1111/jgh.13194Samarasena J.B., Ahluwalia A., Shinoura S., Choi K.D., Lee J.G., Chang K.J., Tarnawski A.S. In vivo imaging of porcine gastric enteric nervous system using confocal laser endomicroscopy &molecular neuronal probe. J. Gastroenterol. Hepatol. 2016; 31(4):802–807. doi: 10.1111/jgh.13194Tovey S.C., Brighton P.J., Willars G.B. Confocal microscopy: theory and applications for cellular signaling // Methods Mol. Biol. 2005. Vol.312. P.57–85. doi: 10.1385/1-59259-949-4:057Tovey S.C., Brighton P.J., Willars G.B. Confocal microscopy: theory and applications for cellular signaling. Methods Mol. Biol. 2005; 312:57–85. doi: 10.1385/1-59259-949-4:057Gonzalez R.J. Laser Scanning Microscopy of Yersinia pestis Infected Tissues // Methods Mol. Biol. 2019. Vol.2010. P.69–84. doi: 10.1007/978-1-4939-9541-7_6Gonzalez R.J. Laser Scanning Microscopy of Yersinia pestis Infected Tissues. Methods Mol. Biol. 2019; 2010:69–84. doi: 10.1007/978-1-4939-9541-7_6Georgi A., Mottola-Hartshorn C., Warner A., Fields B., Chen L.B. Detection of individual fluorescently labeled reovirions in living cells // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1990. Vol.87, №17. P.6579–6583. doi: 10.1073/pnas.87.17.6579Georgi A., Mottola-Hartshorn C., Warner A., Fields B., Chen L.B. Detection of individual fluorescently labeled reovirions in living cells. Proc. Natl Acad. Sci. USA 1990; 87(17):6579–6583. doi: 10.1073/pnas.87.17.6579Koch P., Lampe M., Godinez W.J., Müller B., Rohr K., Kräusslich H.G., Lehmann M.J. Visualizing fusion of pseudotyped HIV-1 particles in real time by live cell microscopy // Retrovirology. 2009. Vol.18, №6. Article number: 84. doi: 10.1186/1742-4690-6-84Koch P., Lampe M., Godinez W.J., Müller B., Rohr K., Kräusslich H.G., Lehmann M.J. Visualizing fusion of pseudotyped HIV-1 particles in real time by live cell microscopy. Retrovirology 2009; 18(6):84. doi: 10.1186/1742-4690-6-84Moradpour D., Evans M.J., Gosert R., Yuan Z., Blum H.E., Goff S.P., Lindenbach B.D., Rice C.M. Insertion of green fluorescent protein into nonstructural protein 5A allows direct visualization of functional hepatitis C virus replication complexes // J. Virol. 2004. Vol.78, №14. P.7400–7409. doi: 10.1128/JVI.78.14.7400-7409.2004Moradpour D., Evans M.J., Gosert R., Yuan Z., Blum H.E., Goff S.P., Lindenbach B.D., Rice C.M. Insertion of green fluorescent protein into nonstructural protein 5A allows direct visualization of functional hepatitis C virus replication complexes. J. Virol. 2004; 78(14):7400–7409. doi: 10.1128/JVI.78.14.7400-7409.2004Liu S.L., Wang Z.G., Xie H.Y., Liu A.A., Lamb D.C., Pang D.W. Single-Virus Tracking: From Imaging Methodologies to Virological Applications // Chem. Rev. 2020. Vol.120, №3. P.1936–1979. doi: 10.1021/acs.chemrev.9b00692Liu S.L., Wang Z.G., Xie H.Y., Liu A.A., Lamb D.C., Pang D.W. Single-Virus Tracking: From Imaging Methodologies to Virological Applications. Chem. Rev. 2020; 120(3):1936–1979. doi: 10.1021/acs.chemrev.9b00692Nwaneshiudu A., Kuschal C., Sakamoto F.H., Anderson R.R., Schwarzenberger K., Young R.C. Introduction to confocal microscopy // J. Invest. Dermatol. 2012. Vol.132, №12. Article number: e3. doi: 10.1038/jid.2012.429Nwaneshiudu A., Kuschal C., Sakamoto F.H., Anderson R.R., Schwarzenberger K., Young R.C. Introduction to confocal microscopy. J. Invest. Dermatol. 2012; 132(12):e3. doi: 10.1038/jid.2012.429

The authors declare that there are no conflicts of interest present.