stringtranslate.com

Голотомография

Голотомография (ГТ) — это лазерная технология для измерения трехмерной томограммы показателя преломления (ПП) микроскопического образца, такого как биологические клетки и ткани . Поскольку ПП может служить внутренним контрастом изображения для прозрачных или фазовых объектов, измерения ПП томограмм могут обеспечить количественную визуализацию микроскопических фазовых объектов без меток . Для измерения трехмерной ПП томограммы образцов ГТ использует принцип голографической визуализации и обратного рассеяния. Обычно несколько двумерных голографических изображений образца измеряются под различными углами освещения, используя принцип интерферометрической визуализации. Затем трехмерная ПП томограмма образца реконструируется из этих нескольких двумерных голографических изображений путем обратного решения рассеяния света в образце.

История

Первое теоретическое предложение было представлено Эмилем Вольфом [1] , а первая экспериментальная демонстрация была показана Ферчером и др. [2]. С 2000-х годов методы HT широко изучались и применялись в области биологии и медицины несколькими исследовательскими группами, включая лабораторию спектроскопии Массачусетского технологического института. Как технические разработки, так и приложения HT были значительно продвинуты. В 2012 году была основана первая коммерческая компания HT Nanolive [3] , а затем в 2014 году за ней последовала Tomocube.

Принципы

Принцип HT очень похож на рентгеновскую компьютерную томографию (КТ) или КТ-сканирование. КТ-сканирование измеряет несколько 2-мерных рентгеновских изображений человеческого тела под разными углами освещения, а затем 3-мерная томограмма (поглощаемость рентгеновских лучей) извлекается с помощью теории обратного рассеяния. И рентгеновская КТ, и лазерная HT используют одно и то же управляющее уравнение – уравнение Гельмгольца , волновое уравнение для монохроматической длины волны. HT также известна как оптическая дифракционная томография. [4]

Преимущества и ограничения

Технология HT обеспечивает следующие преимущества по сравнению с традиционными методами 3D-микроскопии.

  1. Без меток: Клеточная мембрана и субклеточные органеллы могут быть четко визуализированы без использования экзогенных маркирующих агентов. Таким образом, нет проблем с фототоксичностью, фотообесцвечиванием и фотоповреждением.
  2. Количественная визуализация: HT напрямую измеряет 3D RI-карты клеток, которые являются внутренними оптическими свойствами материалов. Поскольку измеренный RI может быть переведен в плотность массы 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 ста кадров в секунду, в зависимости от числовых апертур используемых объективов и скорости датчика изображения.

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

Приложения

Приложения HT включают в себя: [7]

3D RI томограмма живой клетки (макрофага)

Биология клетки

HT обеспечивает 3D динамические изображения живых клеток и тонких тканей без использования экзогенных маркирующих агентов, таких как флуоресцентные белки или красители. HT обеспечивает количественную визуализацию живых клеток, а также предоставляет количественную информацию, такую ​​как объем клеток, площадь поверхности, концентрация белка. Были представлены визуализация без меток и количественная оценка хромосом. [8] Регуляторный путь деградации протеасомы путем аутофагии в клетках был изучен с использованием HT. [9]

Корреляционная визуализация

HT можно использовать с другими методами визуализации для корреляционной визуализации. Например, сочетание HT и флуоресцентной визуализации позволяет использовать синергический аналитический подход. [10] [11] HT предоставляет структурную информацию, тогда как сигнал флуоресценции обеспечивает молекулярно-специфическую визуализацию, оптический аналог позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и КТ. Были описаны различные подходы к корреляционным подходам визуализации с использованием HT.

Количественное определение липидов

Внутриклеточные липидные капли играют важную роль в накоплении 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 ( n > 1,375) по сравнению с другими частями цитоплазмы, измерения томограмм RI предоставляют информацию об объеме, концентрации и сухой массе липидных капель. [12] Недавно HT использовался для оценки терапевтических эффектов нанопрепарата, разработанного для воздействия на целевую доставку лобеглитазона путем измерения липидных капель в пенистых клетках. [13]

Экспериментальная лаборатория

HT обеспечивает различные количественные возможности визуализации, предоставляя морфологические, биохимические и механические свойства отдельных клеток. 3D RI-томография напрямую предоставляет морфологические свойства, включая объем, площадь поверхности и сферичность (округлость) клетки. Локальное значение RI может быть переведено в биохимическую информацию или концентрацию цитоплазматического белка, поскольку RI раствора линейно пропорционален его концентрации. [14] В частности, в случае эритроцитов значение RI может быть преобразовано в концентрацию гемоглобина. Измерения динамической флуктуации клеточной мембраны, которые также могут быть получены с помощью инструмента HT, предоставляют информацию о клеточной деформируемости. Кроме того, эти различные количественные параметры могут быть получены на уровне отдельной клетки, что позволяет проводить корреляционный анализ между различными клеточными параметрами. HT использовалась для изучения эритроцитов, [15] лейкоцитов, [16] хранения крови, [17] и диабета. [18]

Инфекционные заболевания

Количественная возможность визуализации без меток HT была использована для изучения различных инфекционных заболеваний. В частности, зараженные паразитами клетки хозяина 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 эффективны для нескольких паразитов. Вторжение plasmodium falciparum или паразитов, вызывающих малярию, в отдельные эритроциты было измерено с помощью HT. [19] Структурные и биофизические изменения в клетках хозяина и паразитах были систематически проанализированы. Также было изучено вторжение паразитов babesia в эритроциты. [20] Toxoplasma gondii , паразит апикомплекса, вызывающий токсоплазмоз, может инфицировать ядросодержащие клетки. Изменения трехмерной морфологии и биофизических свойств инфицированных T. gondii клеток были изучены с помощью HT. [21]

Биотехнология

Объем клеток и сухую массу отдельных бактерий или микроводорослей можно эффективно количественно оценить с помощью HT. [22] Поскольку для этого не требуется процесс окрашивания, но при этом обеспечиваются точные количественные значения, HT можно использовать для проверки эффективности искусственных красителей.

Научное сообщество

Ниже перечислены действующие научные конференции по ГТ как части количественных методов фазовой визуализации:

Методика и применение ГТ были включены в следующие специальные выпуски научных журналов:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Вольф, Эмиль (1969). «Определение трехмерной структуры полупрозрачных объектов по голографическим данным». Optics Communications . 1 (4): 153–156. Bibcode : 1969OptCo...1..153W. doi : 10.1016/0030-4018(69)90052-2.
  2. ^ Ферхер, А. Ф.; Бартельт, Х.; Беккер, Х.; Вильчко, Э. (1979). «Формирование изображения путем инверсии данных рассеянного поля: эксперименты и вычислительное моделирование». Прикладная оптика . 18 (14): 2427–39. Bibcode :1979ApOpt..18.2427F. doi :10.1364/AO.18.002427. PMID  20212679.
  3. ^ "Главная". nanolive.ch . Получено 2020-08-26 .
  4. ^ Лауэр, В. (2002). «Новый подход к оптической дифракционной томографии, дающий векторное уравнение дифракционной томографии и новый томографический микроскоп». Журнал микроскопии . 205 (2): 165–176. doi :10.1046/j.0022-2720.2001.00980.x. PMID  11879431. S2CID  30791056.
  5. ^ Ким, Доён (2016). «Безметковая высокоразрешающая 3D-визуализация золотых наночастиц внутри живых клеток с использованием оптической дифракционной томографии». bioRxiv 10.1101/097113 . 
  6. ^ Ким, Кёхён (2016). «Трехмерная визуализация без меток и количественная оценка липидных капель в живых гепатоцитах». Scientific Reports . 6 : 36815. arXiv : 1611.01774 . Bibcode : 2016NatSR...636815K. doi : 10.1038/srep36815. PMC 5118789 . PMID  27874018. 
  7. ^ Park, YongKeun (2018). «Количественная фазовая визуализация в биомедицине». Nature Photonics . 12 (10): 578–589. Bibcode : 2018NaPho..12..578P. doi : 10.1038/s41566-018-0253-x. PMID  26648557. S2CID  126144855.
  8. ^ Ким, Сеул (2020). «PRMT6-опосредованный H3R2me2a направляет Aurora B к плечам хромосомы для правильной сегрегации хромосом». Nature Communications . 11 (1): 612. Bibcode :2020NatCo..11..612K. doi :10.1038/s41467-020-14511-w. PMC 6992762 . PMID  32001712. 
  9. ^ Чой, Вон Хун (11 августа 2020 г.). «Агресомальная секвестрация и убиквитилирование, опосредованное STUB1, во время протеафагии млекопитающих ингибированных протеасом». PNAS . 117 (32): 19190–19200. Bibcode :2020PNAS..11719190C. doi : 10.1073/pnas.1920327117 . PMC 7430983 . PMID  32723828. 
  10. ^ Ким, YS; Ли, S.; Юнг, J.; Шин, S.; Чой, HG; Ча, GH; Парк, W.; Ли, S.; Парк, Y. (2018). «Объединение трехмерной количественной фазовой визуализации и флуоресцентной микроскопии для изучения патофизиологии клеток». Yale J Biol Med . 91 (3): 267–277. PMC 6153632. PMID  30258314 . 
  11. ^ Ламберт, Обри (2020). «Визуализация живых клеток с помощью голотомографии и флуоресценции». Микроскопия сегодня . 28 : 18–23. doi : 10.1017/S1551929519001032 .
  12. ^ Ким, Кёхён; Ли, Соён; Юн, Чонхи; Хео, Джихан; Чхве, Чулхи; Пак, Ёнгын (2016). «Трехмерная визуализация без меток и количественная оценка липидных капель в живых гепатоцитах». Scientific Reports . 6 : 36815. arXiv : 1611.01774 . Bibcode : 2016NatSR...636815K. doi : 10.1038/srep36815. PMC 5118789 . PMID  27874018. 
  13. ^ Пак, Санву; Ан, Джэ Вон; Джо, Ёнджу; Кан, Ха-Ён; Ким, Хён Чжон; Чон, Ёнми; Ким, Джин Вон; Пак, Ёнгын; Ли, Сонсу; Пак, Кёнсун (2020). «Томографическая визуализация липидных капель в пенистых клетках без использования меток для терапевтической оценки целевых нанопрепаратов с помощью машинного обучения». ACS Nano . 14 (2): 1856–1865. doi : 10.1021/acsnano.9b07993. PMID  31909985. S2CID  210087144.
  14. ^ Baber, R. (1952). «Интерференционная микроскопия и определение массы». Nature . 169 (4296): 366–7. Bibcode :1952Natur.169..366B. doi :10.1038/169366b0. PMID  14919571. S2CID  4188525.
  15. ^ Пак, Ёнгын (2010). «Измерение механики эритроцитов во время морфологических изменений». PNAS . 107 (15): 6731–6. Bibcode : 2010PNAS..107.6731P. doi : 10.1073/pnas.0909533107 . PMC 2872375. PMID  20351261 . 
  16. ^ Юн, Чонхи (2015). «Характеристика белых кровяных клеток без меток путем измерения трехмерных карт показателя преломления». Biomedical Optics Express . 6 (10): 3865–75. arXiv : 1505.02609 . Bibcode : 2015arXiv150502609Y. doi : 10.1364/BOE.6.003865. PMC 4605046. PMID  26504637 . 
  17. ^ Пак, Хёнджу (2016). «Измерение площади поверхности клеток и деформируемости отдельных эритроцитов человека при хранении крови с использованием количественной фазовой визуализации». Scientific Reports . 6 : 34257. Bibcode :2016NatSR...634257P. doi :10.1038/srep34257. PMC 5048416 . PMID  27698484. 
  18. ^ Ли, СанЮн (2017). «Томограммы показателя преломления и динамические мембранные колебания эритроцитов у пациентов с сахарным диабетом». Scientific Reports . 7 (1): 1039. Bibcode :2017NatSR...7.1039L. doi :10.1038/s41598-017-01036-4. PMC 5430658 . PMID  28432323. 
  19. ^ Park, YongKeun (2008). «Карты показателя преломления и динамика мембран человеческих эритроцитов, паразитирующих на Plasmodium falciparum». PNAS . 105 (37): 13730–13735. Bibcode : 2008PNAS..10513730P. doi : 10.1073/pnas.0806100105 . PMC 2529332. PMID  18772382 . 
  20. ^ HyunJoo, Park (2015). «Характеристика отдельных эритроцитов мыши, паразитирующих Babesia microti, с использованием трехмерной голографической микроскопии». Scientific Reports . 5 : 10827. arXiv : 1505.00832 . Bibcode : 2015NatSR...510827P. doi : 10.1038/srep10827. PMC 4650620 . PMID  26039793. 
  21. ^ Фирдаус, Эги Рахман; Пак, Джи-Хун; Ли, Сон-Кюн; Пак, Ёнгын; 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. doi :10.1002/jbio.202000055. PMID  32441392. S2CID  218831871.
  22. ^ Ahn, Jung Ho; Seo, Hogyun; Park, Woojin; Seok, Jihye; Lee, Jong An; Kim, Won Jun; Kim, Gi Bae; Kim, Kyung-Jin; Lee, Sang Yup (2020). «Усиленное производство янтарной кислоты Mannheimia с использованием оптимальной малатдегидрогеназы». Nature Communications . 11 (1): 1970. Bibcode :2020NatCo..11.1970A. doi :10.1038/s41467-020-15839-z. PMC 7181634 . PMID  32327663.