stringtranslate.com

Голотомография

Голотомография (ГТ) — это лазерный метод измерения трехмерной томограммы показателя преломления (RI) 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 трехмерной RI-томограммы образцов технология HT использует принцип голографической визуализации и обратного рассеяния. Обычно несколько двумерных голографических изображений образца измеряются под разными углами освещения, используя принцип интерферометрического изображения. Затем трехмерная RI-томограмма образца восстанавливается 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 продемонстрирована 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 применение HT значительно продвинулись вперед. В 2012 году была основана первая коммерческая HT-компания Nanolive [3] , а в 2014 году за ней последовала Tomocube.

Принципы

Принцип ГТ очень похож на рентгеновскую компьютерную томографию (КТ) или компьютерную томографию. КТ измеряет несколько двумерных рентгеновских изображений человеческого тела под различными углами освещения, а затем получает трехмерную томограмму (поглощение рентгеновских лучей) с помощью теории обратного рассеяния. И рентгеновская КТ, и лазерная ВТ имеют одно и то же основное уравнение – уравнение Гельмгольца , волновое уравнение для монохроматической длины волны. HT также известна как оптическая дифракционная томография. [4]

Преимущества и ограничения

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

  1. Без меток: клеточные мембраны и субклеточные органеллы можно четко визуализировать без использования экзогенных маркировочных агентов. Таким образом, не возникает проблем фототоксичности, фотообесцвечивания и фотоповреждения.
  2. Возможность количественной визуализации: HT напрямую измеряет трехмерные карты RI клеток, которые являются внутренними оптическими свойствами материалов. Поскольку измеренный RI можно перевести в массовую плотность клетки, и используя эту информацию, также можно 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 числовой апертуры используемых объективов и скорости датчика изображения.

Однако 3D-RI томография не обеспечивает молекулярную специфичность. Как правило, измеренная информация RI не может быть напрямую связана с информацией о молекулах или белках, за исключением примечательных случаев, таких как наночастицы золота [5] или липидные капли [6] , которые демонстрируют явно 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 меток, таких как флуоресцентные белки или красители. HT позволяет проводить количественную визуализацию живых клеток, а также предоставляет количественную информацию, такую ​​как объем клеток, площадь поверхности, концентрация белка. Были представлены изображения без меток и количественная оценка хромосом. [8] Регуляторный путь деградации протеасом путем аутофагии в клетках был изучен с использованием HT. [9]

Корреляционная визуализация

ГТ можно использовать с другими методами визуализации для корреляционной визуализации. Например, сочетание ГТ и флуоресцентной визуализации обеспечивает синергетический аналитический подход. [10] [11] HT предоставляет структурную информацию, тогда как сигнал флуоресценции обеспечивает молекулярно-специфическую визуализацию, оптический аналог позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и КТ. Сообщалось о различных подходах к коррелятивной визуализации с использованием HT.

Количественное определение липидов

Внутриклеточные липидные капли 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 использования меток. Поскольку липидные капли имеют явно высокий RI ( n > 1,375) по сравнению с другими частями цитоплазмы, измерения RI-томограмм 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 капель липидов в пенистых клетках. [13]

Экспериментальная лаборатория

HT обеспечивает различные возможности количественной визуализации, обеспечивая морфологические, биохимические и механические свойства отдельных клеток. 3D-RI-томография напрямую определяет морфологические свойства, включая объем, площадь поверхности и сферичность (округлость) клетки. Локальное значение RI можно перевести в биохимическую информацию или концентрацию цитоплазматического белка, поскольку RI раствора линейно пропорционален его концентрации. [14] В частности, для эритроцитов значение RI можно преобразовать 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 отдельных клеток, что позволяет проводить корреляционный анализ между различными клеточными параметрами. ГТ использовалась для изучения эритроцитов, [15] лейкоцитов, [16] запасов крови, [17] и диабета. [18]

Инфекционные заболевания

Возможности количественной визуализации без меток HT использовались для изучения различных инфекционных заболеваний. В частности, клетки-хозяева, пораженные паразитами, можно эффективно визуализировать и изучать с помощью HT. Это связано с тем, что окрашивание или маркировка паразитов требует сложного процесса подготовки, а окрашивание/маркировка не очень эффективны в отношении некоторых паразитов. Инвазию Plasodium falciparum или паразитов, вызывающих малярию, в отдельные эритроциты измеряли с помощью HT. [19] Структурные и биофизические изменения клеток-хозяев и паразитов систематически анализировались. Также изучалась инвазия бабезий в эритроциты. [20] Toxoplasma gondii , апикомплексный паразит, вызывающий токсоплазмоз, может инфицировать ядросодержащие клетки. Изменения 3D-морфологии и биофизических свойств клеток, инфицированных T gondii , изучали с помощью ГТ. [21]

Биотехнология

Объем клеток и сухая масса отдельных бактерий или микроводорослей могут быть эффективно определены количественно с помощью ГТ. [22] Поскольку HT не требует процесса окрашивания и обеспечивает точные количественные значения, HT можно использовать для проверки эффективности искусственных красителей.

Научное сообщество

Ниже приведены активные научные конференции по HT как части методов количественной фазовой визуализации:

Техника и ее применение включены в следующие специальные выпуски научных журналов:

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Вольф, Эмиль (1969). «Определение трехмерной структуры полупрозрачных объектов по голографическим данным». Оптические коммуникации . 1 (4): 153–156. Бибкод : 1969OptCo...1..153W. дои : 10.1016/0030-4018(69)90052-2.
  2. ^ Ферчер, AF; Бартельт, Х.; Беккер, Х.; Вильчко, Э. (1979). «Формирование изображений путем инверсии данных рассеянного поля: эксперименты и компьютерное моделирование». Прикладная оптика . 18 (14): 2427–39. Бибкод : 1979ApOpt..18.2427F. дои : 10.1364/AO.18.002427. ПМИД  20212679.
  3. ^ «Дом». nanolive.ch . Проверено 26 августа 2020 г.
  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. дои : 10.1046/j.0022-2720.2001.00980.x. PMID  11879431. S2CID  30791056.
  5. ^ Ким, Доён (2016). «Трехмерное изображение наночастиц золота внутри живых клеток с высоким разрешением без меток с использованием оптической дифракционной томографии». bioRxiv 10.1101/097113 . 
  6. ^ Ким, Кёхён (2016). «Трехмерная визуализация без меток и количественный анализ липидных капель в живых гепатоцитах». Научные отчеты . 6 : 36815. arXiv : 1611.01774 . Бибкод : 2016NatSR...636815K. дои : 10.1038/srep36815. ПМК 5118789 . ПМИД  27874018. 
  7. ^ Пак, Ёнгын (2018). «Количественная фазовая визуализация в биомедицине». Природная фотоника . 12 (10): 578–589. Бибкод : 2018NaPho..12..578P. дои : 10.1038/s41566-018-0253-x. PMID  26648557. S2CID  126144855.
  8. ^ Ким, Сыль (2020). «PRMT6-опосредованный H3R2me2a направляет Aurora B к плечам хромосом для правильного разделения хромосом». Природные коммуникации . 11 (1): 612. Бибкод : 2020NatCo..11..612K. doi : 10.1038/s41467-020-14511-w. ПМК 6992762 . ПМИД  32001712. 
  9. ↑ Чхве, Вон Хун (11 августа 2020 г.). «Агресомальная секвестрация и STUB1-опосредованное убиквитилирование во время протеафагии ингибированных протеасом у млекопитающих». ПНАС . 117 (32): 19190–19200. Бибкод : 2020PNAS..11719190C. дои : 10.1073/pnas.1920327117 . ПМЦ 7430983 . ПМИД  32723828. 
  10. ^ Ким, Ю.С.; Ли, С.; Юнг, Дж.; Шин, С.; Чой, Х.Г.; Ча, GH; Парк, В.; Ли, С.; Парк, Ю. (2018). «Сочетание трехмерной количественной фазовой визуализации и флуоресцентной микроскопии для изучения патофизиологии клеток». Йельский университет биологической медицины . 91 (3): 267–277. ПМК 6153632 . ПМИД  30258314. 
  11. ^ Ламберт, Обри (2020). «Визуализация живых клеток с помощью голотомографии и флуоресценции». Микроскопия сегодня . 28 : 18–23. дои : 10.1017/S1551929519001032 .
  12. ^ Ким, Кёхён; Ли, Соын; Юн, Чонхи; Хи, Джихан; Чой, Чулхи; Пак, Ёнкын (2016). «Трехмерная визуализация без меток и количественный анализ липидных капель в живых гепатоцитах». Научные отчеты . 6 : 36815. arXiv : 1611.01774 . Бибкод : 2016NatSR...636815K. дои : 10.1038/srep36815. ПМК 5118789 . ПМИД  27874018. 
  13. ^ Парк, Санву; Ан, Джэ Вон; Джо, Ёнджу; Канг, Ха-Ён; Ким, Хён Чжон; Чхон, Ёнми; Ким, Джин Вон; Парк, Ёнкын; Ли, Сонсу; Пак, Кёнсун (2020). «Томографическая визуализация липидных капель в пенистых клетках без меток для терапевтической оценки таргетных нанопрепаратов с помощью машинного обучения». АСУ Нано . 14 (2): 1856–1865. doi : 10.1021/acsnano.9b07993. PMID  31909985. S2CID  210087144.
  14. ^ Бабер, Р. (1952). «Интерференционная микроскопия и массовое определение». Природа . 169 (4296): 366–7. Бибкод : 1952Natur.169..366B. дои : 10.1038/169366b0. PMID  14919571. S2CID  4188525.
  15. ^ Пак, Ёнгын (2010). «Измерение механики эритроцитов при морфологических изменениях». ПНАС . 107 (15): 6731–6. Бибкод : 2010PNAS..107.6731P. дои : 10.1073/pnas.0909533107 . ПМЦ 2872375 . ПМИД  20351261. 
  16. ^ Юн, Чонхи (2015). «Характеристика лейкоцитов без меток путем измерения трехмерных карт показателя преломления». Биомедицинская оптика Экспресс . 6 (10): 3865–75. arXiv : 1505.02609 . Бибкод : 2015arXiv150502609Y. дои : 10.1364/BOE.6.003865. ПМК 4605046 . ПМИД  26504637. 
  17. ^ Пак, Хёнджу (2016). «Измерение площади поверхности клеток и деформируемости отдельных эритроцитов человека при хранении крови с использованием количественной фазовой визуализации». Научные отчеты . 6 : 34257. Бибкод : 2016NatSR...634257P. дои : 10.1038/srep34257. ПМК 5048416 . ПМИД  27698484. 
  18. ^ Ли, СанЮн (2017). «Томограммы показателя преломления и динамические мембранные колебания эритроцитов больных сахарным диабетом». Научные отчеты . 7 (1): 1039. Бибкод : 2017НатСР...7.1039Л. дои : 10.1038/s41598-017-01036-4. ПМЦ 5430658 . ПМИД  28432323. 
  19. ^ Пак, Ёнгын (2008). «Карты показателя преломления и мембранная динамика эритроцитов человека, зараженных Plasmodium falciparum». ПНАС . 105 (37): 13730–13735. Бибкод : 2008PNAS..10513730P. дои : 10.1073/pnas.0806100105 . ПМЦ 2529332 . ПМИД  18772382. 
  20. ^ ХёнДжу, Пак (2015). «Характеристика отдельных эритроцитов мыши, зараженных Babesia microti, с использованием трехмерной голографической микроскопии». Научные отчеты . 5 : 10827. arXiv : 1505.00832 . Бибкод : 2015NatSR...510827P. дои : 10.1038/srep10827. ПМК 4650620 . ПМИД  26039793. 
  21. ^ Фирдаус, Эги Рахман; Пак, Джи-Хун; Ли, Сон Гюн; Парк, 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. S2CID  218831871.
  22. ^ Ан, Юнг Хо; Со, Хогюн; Пак, Уджин; Сок, Джихе; Ли, Чон Ан; Ким, Вон Джун; Ким, Ги Бэ; Ким, Кён Джин; Ли, Сан Ёп (2020). «Увеличенное производство янтарной кислоты Mannheimia с использованием оптимальной малатдегидрогеназы». Природные коммуникации . 11 (1): 1970. Бибкод : 2020NatCo..11.1970A. дои : 10.1038/s41467-020-15839-z. ПМЦ 7181634 . ПМИД  32327663.