Голотомография - Holotomography

Голотомография (HT) - это лазерный метод измерения трехмерных показатель преломления (RI) томограмма микроскопического образца, такого как биологические клетки и ткани. Поскольку RI может служить внутренним контрастом изображения для прозрачных или фазовых объектов, измерения томограмм RI могут обеспечить количественное изображение микроскопических фазовых объектов без меток. Для измерения 3-D RI томограммы образцов HT использует принцип голографической визуализации и обратного рассеяния. Обычно несколько двумерных голографических изображений образца измеряются при различных углах освещения с использованием принципа интерферометрической визуализации. Затем трехмерная томограмма RI образца восстанавливается из этих нескольких двумерных голографических изображений путем обратного решения светорассеяния в образце.

История

Первое теоретическое предложение было представлено Эмилем Вольфом,[1] и первая экспериментальная демонстрация была продемонстрирована Fercher et al.[2] С 2000-х годов технологии HT широко изучались и применялись в области биологии и медицины несколькими исследовательскими группами, включая лабораторию спектроскопии MIT. И технические разработки, и приложения HT были значительно продвинуты. В 2012 году первая коммерческая HT компания Nanolive[3] была основана, а затем в 2014 году была основана компания Tomocube.

Принципы

Принцип HT очень похож на рентгеновскую компьютерную томографию (КТ) или компьютерная томография. Компьютерная томография измеряет несколько двумерных рентгеновских изображений человеческого тела при различных углах освещения, а затем извлекается трехмерная томограмма (поглощающая способность рентгеновского излучения) с помощью теории обратного рассеяния. И рентгеновская КТ, и лазерная HT имеют одно и то же основное уравнение - Уравнение Гельмгольца, волновое уравнение n для монохроматической длины волны. HT также известен как оптическая дифракционная томография.[4]

Преимущества и ограничения

HT имеет следующие преимущества по сравнению с традиционными методами трехмерной микроскопии.

  1. Без этикеток: клеточные мембраны и субклеточные органеллы можно четко визуализировать без использования экзогенных мечения. Таким образом, нет проблем с фототоксичностью, фотообесцвечиванием и фотоповреждением.
  2. Возможность получения количественных изображений: HT напрямую измеряет трехмерные карты RI клетки, которые являются собственными оптическими свойствами материалов. Поскольку измеренный RI может быть переведен в массовую плотность клетки и, используя эту информацию, можно также получить массу клетки.
  3. Точные и быстрые измерения: HT обеспечивает пространственное разрешение примерно до 100 нм и временное разрешение от нескольких до сотен кадров в секунду, в зависимости от числовой апертуры используемых линз объектива и скорости датчика изображения.

Однако томография 3D RI не обеспечивает молекулярной специфичности. Как правило, измеренная информация о RI не может быть напрямую связана с информацией о молекулах или белках, за исключением заметных случаев, таких как золотые наночастицы.[5] или липидные капли[6] которые показывают отчетливо высокие значения RI по сравнению с цитоплазмой клетки.

Приложения

Приложения HT включают[7]

3D RI томограмма живой клетки (макрофага)

Клеточная биология

HT обеспечивает трехмерные динамические изображения живых клеток и тонких тканей без использования экзогенных метящих агентов, таких как флуоресцентные белки или красители. HT позволяет получать количественные изображения живых клеток, а также предоставляет количественную информацию, такую ​​как объем клетки, площадь поверхности, концентрация белка. Были представлены изображения хромосом без меток и количественная оценка.[8] Регуляторный путь деградации протеасом за счет аутофагии в клетках был исследован с использованием HT.[9]

Корреляционная визуализация

HT может использоваться с другими методами визуализации для корреляционной визуализации. Например, комбинация HT и флуоресцентной визуализации позволяет использовать синергетический аналитический подход.[10][11] HT предоставляет структурную информацию, тогда как сигнал флуоресценции обеспечивает визуализацию молекулярной специфики, оптический аналог ПЭТ / КТ. Сообщалось о различных подходах к корреляционной визуализации с использованием HT.

Количественное определение липидов

Капли внутриклеточного липида играют важную роль в хранении энергии и метаболизме, а также связаны с различными патологиями, включая рак, ожирение и сахарный диабет. HT позволяет проводить количественную визуализацию и анализ свободных или внутриклеточных липидных капель без меток. Поскольку липидные капли имеют отчетливо высокий RI (п > 1,375) по сравнению с другими частями цитоплазмы, измерения томограмм RI предоставляют информацию об объеме, концентрации и сухой массе липидных капель.[12] Недавно ГТ была использована для оценки терапевтических эффектов нанопрепарата, предназначенного для воздействия на адресную доставку лобеглитазона путем измерения липидных капель в пенистых ячейках.[13]

Экспериментальная лаборатория

HT обеспечивает различные возможности количественной визуализации, обеспечивая морфологические, биохимические и механические свойства отдельных клеток. Томография 3D RI напрямую обеспечивает морфологические свойства, включая объем, площадь поверхности и сферичность (округлость) клетки. Локальное значение RI может быть переведено в биохимическую информацию или концентрацию цитоплазматического белка, потому что RI раствора линейно пропорциональна его концентрации.[14] В частности, для случая красные кровяные тельца, Значение RI может быть преобразовано в концентрацию гемоглобина. Измерения динамических колебаний клеточной мембраны, которые также можно получить с помощью прибора HT, предоставляют информацию о деформируемости клеток. Кроме того, эти различные количественные параметры могут быть получены на уровне отдельной клетки, что позволяет проводить корреляционный анализ между различными параметрами клетки. ГТ использовалась для исследования красных кровяных телец,[15] белые кровяные клетки,[16] хранение крови,[17] и диабет.[18]

Инфекционные заболевания

Возможности ГТ для количественной визуализации без меток использовались для изучения различных инфекционных заболеваний. В частности, клетки-хозяева, пораженные паразитами, могут быть эффективно визуализированы и изучены с помощью HT. Это связано с тем, что окрашивание или маркировка паразитов требует сложного процесса подготовки, а окрашивание / маркировка не очень эффективно для некоторых паразитов. Вторжение плазмодий falciparumили паразитов, вызывающих малярию, к отдельным эритроцитам измеряли с помощью HT.[19] Систематически анализируются структурные и биофизические изменения клеток-хозяев и паразитов. Также изучали вторжение паразитов бабезии в эритроциты.[20] Toxoplasma gondii, апикомплексный паразит, вызывающий токсоплазмоз, может инфицировать ядросодержащие клетки. Изменения трехмерной морфологии и биофизических свойств T gondii инфицированные клетки изучали с помощью HT.[21]

Биотехнологии

Объем клеток и сухая масса отдельных бактерий или микроводорослей можно эффективно количественно определить с помощью ГТ.[22] Поскольку он не требует процесса окрашивания, но обеспечивает точные количественные значения, HT может использоваться для тестирования эффективности искусственных пятен.

Научное сообщество

Далее следуют активные научные конференции по ГТ как части методов количественной фазовой визуализации.

Техника и приложения HT были включены в следующие специальные выпуски научных журналов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Вольф, Эмиль (1969). «Определение трехмерной структуры полупрозрачных объектов по голографическим данным». Оптика Коммуникации. 1 (4): 153–156. Bibcode:1969OptCo ... 1..153 Вт. Дои:10.1016/0030-4018(69)90052-2.
  2. ^ Fercher, A.F .; Bartelt, H .; Becker, H .; Вильчко, Э. (1979). «Формирование изображения путем инверсии данных рассеянного поля: эксперименты и компьютерное моделирование». Прикладная оптика. 18 (14): 2427–39. Bibcode:1979ApOpt..18.2427F. Дои:10.1364 / AO.18.002427. PMID  20212679.
  3. ^ "Дома". nanolive.ch. Получено 2020-08-26.
  4. ^ Лауэр, V (2002). «Новый подход к оптической дифракционной томографии, позволяющий получить векторное уравнение дифракционной томографии и новый томографический микроскоп». Журнал микроскопии. 205 (2): 165–176. Дои:10.1046 / j.0022-2720.2001.00980.x. PMID  11879431.
  5. ^ Ким, Доён (2016). «Трехмерное изображение наночастиц золота внутри живых клеток с высоким разрешением без использования этикеток с использованием оптической дифракционной томографии». bioRxiv  10.1101/097113.
  6. ^ Ким, Кюхён (2016). «Трехмерная визуализация без меток и количественное определение липидных капель в живых гепатоцитах». Научные отчеты. 6: 36815. arXiv:1611.01774. Bibcode:2016НатСР ... 6368 15K. Дои:10.1038 / srep36815. ЧВК  5118789. PMID  27874018.
  7. ^ Пак, Ёнкын (2018). «Количественная фазовая визуализация в биомедицине». Природа Фотоника. 12 (10): 578–589. Bibcode:2018НаФо..12..578П. Дои:10.1038 / с41566-018-0253-х. PMID  26648557. S2CID  126144855.
  8. ^ Ким, Сеул (2020). «PRMT6-опосредованный H3R2me2a направляет Аврору B к плечам хромосом для правильного разделения хромосом». Nature Communications. 11 (1): 612. Дои:10.1038 / с41467-020-14511-ш. ЧВК  6992762. PMID  32001712.
  9. ^ Чой, Вон Хун. «Агресомная секвестрация и STUB1-опосредованное убиквитилирование во время протеафагии ингибированных протеасом у млекопитающих». PNAS.
  10. ^ Kim, Y. S .; Lee, S .; Jung, J .; Shin, S .; Choi, H.G .; Cha, G.H .; Park, W .; Lee, S .; Парк Ю. (2018). «Сочетание трехмерной количественной фазовой визуализации и флуоресцентной микроскопии для изучения патофизиологии клетки». Йель Дж Биол Мед. 91 (3): 267–277. ЧВК  6153632. PMID  30258314.
  11. ^ Ламберт, Обри (2020). «Визуализация живых клеток с помощью голотомографии и флуоресценции». Микроскопия сегодня. 28: 18–23. Дои:10.1017 / S1551929519001032.
  12. ^ Ким, Кюхён; Ли, Соён; Юн, Чонхи; Хео, Джихан; Чой, Чулхи; Пак, Ёнкын (2016). «Трехмерная визуализация без меток и количественное определение липидных капель в живых гепатоцитах». Научные отчеты. 6: 36815. arXiv:1611.01774. Bibcode:2016НатСР ... 6368 15K. Дои:10.1038 / srep36815. ЧВК  5118789. PMID  27874018.
  13. ^ Парк, Сангу; Ан, Джэ Вон; Чо, Ёнджу; Канг Ха-Ён; Ким, Хён Чжон; Cheon, Yeongmi; Ким, Джин Вон; Пак, Ёнкын; Ли, Сонсу; Парк, Кёнсун (2020). «Томографическая визуализация липидных капель в пенистых клетках без этикеток для терапевтической оценки целевых нанопрепаратов с помощью машинного обучения». САУ Нано. 14 (2): 1856–1865. Дои:10.1021 / acsnano.9b07993. PMID  31909985.
  14. ^ Бабер, Р. (1952). «Интерференционная микроскопия и определение массы». Природа. 169 (4296): 366–7. Bibcode:1952 г.Натура.169..366Б. Дои:10.1038 / 169366b0. PMID  14919571. S2CID  4188525.
  15. ^ Пак, Ёнкын (2010). «Измерение механики красных кровяных телец при морфологических изменениях». PNAS. 107 (15): 6731–6. Bibcode:2010PNAS..107.6731P. Дои:10.1073 / pnas.0909533107. ЧВК  2872375. PMID  20351261.
  16. ^ Юн, Чонхи (2015). «Безмаркировочная характеристика лейкоцитов путем измерения трехмерных карт показателя преломления». Биомедицинская оптика Экспресс. 6 (10): 3865–75. arXiv:1505.02609. Bibcode:2015arXiv150502609Y. Дои:10.1364 / BOE.6.003865. ЧВК  4605046. PMID  26504637.
  17. ^ Пак, Хёнджу (2016). «Измерение площади поверхности клеток и деформируемости отдельных эритроцитов человека в хранилище крови с использованием количественной фазовой визуализации». Научные отчеты. 6: 34257. Bibcode:2016НатСР ... 634257П. Дои:10.1038 / srep34257. ЧВК  5048416. PMID  27698484.
  18. ^ Ли, Сан Юн (2017). «Томограммы показателя преломления и динамические мембранные колебания эритроцитов больных сахарным диабетом». Научные отчеты. 7 (1): 1039. Bibcode:2017НатСР ... 7.1039Л. Дои:10.1038 / s41598-017-01036-4. ЧВК  5430658. PMID  28432323.
  19. ^ Пак, Ёнкын (2008). «Карты показателя преломления и динамика мембран эритроцитов человека, зараженных Plasmodium falciparum». PNAS. 105 (37): 13730–13735. Bibcode:2008ПНАС..10513730П. Дои:10.1073 / pnas.0806100105. ЧВК  2529332. PMID  18772382.
  20. ^ Хёнджу, Пак (2015). «Характеристика отдельных эритроцитов мышей, паразитирующих на Babesia microti, с использованием трехмерной голографической микроскопии». Научные отчеты. 5: 10827. arXiv:1505.00832. Bibcode:2015НатСР ... 510827П. Дои:10.1038 / srep10827. ЧВК  4650620. PMID  26039793.
  21. ^ Фирдаус, Египетский Рахман; Пак, Джи-Хун; Ли, Сон-Кюн; Пак, Ёнкын; Ча, Гуан-Хо; Хан, Ын-Тэк (2020). «Трехмерные морфологические и биофизические изменения в отдельном тахизоите и его инфицированных клетках с использованием трехмерной количественной фазовой визуализации». Журнал биофотоники. 13 (8): e202000055. Дои:10.1002 / jbio.202000055. PMID  32441392.
  22. ^ «Повышенное производство янтарной кислоты в Mannheimia с использованием оптимальной малатдегидрогеназы». Nature Communications.