holotomografia

Holotomografia (HT) to technika laserowa służąca do pomiaru trójwymiarowego tomogramu współczynnika załamania światła (RI) mikroskopijnej próbki, takiej jak komórki i tkanki biologiczne. Ponieważ RI może służyć jako wewnętrzny kontrast obrazowania dla obiektów przezroczystych lub fazowych , pomiary tomogramów RI mogą zapewnić obrazowanie ilościowe mikroskopijnych obiektów fazowych bez etykiet . Aby zmierzyć tomogram 3-D RI próbek, HT wykorzystuje zasadę obrazowania holograficznego i rozpraszania odwrotnego. Zazwyczaj wiele holograficznych obrazów 2D próbki jest mierzonych pod różnymi kątami oświetlenia, z wykorzystaniem zasady obrazowania interferometrycznego. Następnie z tych wielu holograficznych obrazów 2D rekonstruuje się tomogram 3D RI próbki poprzez odwrotne rozwiązywanie rozpraszania światła w próbce.

Historia

Pierwszą propozycję teoretyczną przedstawił Emil Wolf, a pierwszą demonstrację eksperymentalną przedstawili Fercher i in. Od 2000 roku techniki HT były szeroko badane i stosowane w dziedzinie biologii i medycyny przez kilka grup badawczych, w tym laboratorium spektroskopii MIT. Zarówno rozwój techniczny, jak i zastosowania HT uległy znacznemu postępowi.

Zasady

Zasada HT jest bardzo podobna do rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) lub tomografii komputerowej. Tomografia komputerowa mierzy wiele dwuwymiarowych zdjęć rentgenowskich ludzkiego ciała pod różnymi kątami oświetlenia, a następnie uzyskuje się trójwymiarowy tomogram (absorpcja promieniowania rentgenowskiego) za pomocą teorii odwrotnego rozpraszania. Zarówno rentgenowska tomografia komputerowa, jak i laserowa HT mają to samo rządzące równanie – równanie Helmholtza , równanie falowe dla monochromatycznej długości fali. HT jest również znana jako optyczna tomografia dyfrakcyjna.

Zalety i ograniczenia

HT zapewnia następujące korzyści w porównaniu z konwencjonalnymi technikami mikroskopowymi 3D.

  1. Bez etykiet: Błona komórkowa i organelle subkomórkowe mogą być wyraźnie obrazowane bez użycia egzogennych środków znakujących. W związku z tym nie ma problemów z fototoksycznością, fotowybielaniem i fotouszkodzeniem.
  2. Możliwość obrazowania ilościowego: HT bezpośrednio mierzy mapy 3D RI komórki, które są nieodłącznymi właściwościami optycznymi materiałów. Ponieważ zmierzone RI można przełożyć na gęstość masy komórki i korzystając z tych informacji, można również odzyskać masę komórki.
  3. Precyzyjne i szybkie pomiary: HT zapewnia rozdzielczość przestrzenną do około 100 nm oraz rozdzielczość czasową od kilku do stu klatek na sekundę, w zależności od apertury numerycznej zastosowanych obiektywów i szybkości przetwornika obrazu.

Jednak tomografia 3D RI nie zapewnia swoistości molekularnej. Ogólnie rzecz biorąc, zmierzona informacja RI nie może być bezpośrednio powiązana z informacją o cząsteczkach lub białkach, z wyjątkiem godnych uwagi przypadków, takich jak nanocząsteczki złota lub kropelki lipidów, które wykazują wyraźnie wysokie wartości RI w porównaniu z cytoplazmą komórki.

Aplikacje

Zastosowania HT obejmują:

Tomogram 3D RI żywej komórki (makrofaga)

Komórka biologiczna

HT zapewnia dynamiczne obrazy 3D żywych komórek i cienkich tkanek bez użycia egzogennych środków znakujących, takich jak białka fluorescencyjne lub barwniki. HT umożliwia ilościowe obrazowanie żywych komórek, a także dostarcza informacji ilościowych, takich jak objętość komórek, powierzchnia, stężenie białka. Przedstawiono obrazowanie bez znaczników i ocenę ilościową chromosomów. Szlak regulacyjny degradacji proteasomu przez autofagię w komórkach był badany przy użyciu HT.

Obrazowanie korelacyjne

HT można stosować z innymi metodami obrazowania do obrazowania korelacyjnego. Na przykład połączenie HT i obrazowania fluorescencyjnego umożliwia synergiczne podejście analityczne. HT dostarcza informacji strukturalnych, podczas gdy sygnał fluorescencyjny zapewnia obrazowanie molekularne, optyczne analogiczne do pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) i CT. Zgłoszono różne podejścia do podejść do obrazowania korelacyjnego z wykorzystaniem HT.

Kwantyfikacja lipidów

Wewnątrzkomórkowe kropelki lipidów odgrywają ważną rolę w magazynowaniu energii i metabolizmie, a także są związane z różnymi patologiami, w tym rakiem, otyłością i cukrzycą. HT umożliwia bezznacznikowe i ilościowe obrazowanie i analizę wolnych lub wewnątrzkomórkowych kropelek lipidów. Ponieważ kropelki lipidów mają wyraźnie wysoki RI ( n > 1,375) w porównaniu z innymi częściami cytoplazmy, pomiary tomogramów RI dostarczają informacji o objętości, stężeniu i suchej masie kropelek lipidów. Ostatnio HT zastosowano do oceny efektów terapeutycznych nanoleku zaprojektowanego w celu wpływania na ukierunkowane dostarczanie lobeglitazonu poprzez pomiar kropelek lipidów w komórkach piankowatych.

Laboratorium doświadczalne

HT zapewnia różne możliwości obrazowania ilościowego, zapewniając właściwości morfologiczne, biochemiczne i mechaniczne poszczególnych komórek. Tomografia 3D RI bezpośrednio zapewnia właściwości morfologiczne, w tym objętość, pole powierzchni i sferyczność (okrągłość) komórki. Lokalną wartość RI można przełożyć na informację biochemiczną lub stężenie białka cytoplazmatycznego, ponieważ RI roztworu jest liniowo proporcjonalne do jego stężenia. W szczególności w przypadku krwinek czerwonych wartość RI można przeliczyć na stężenie hemoglobiny. Pomiary dynamicznej fluktuacji błony komórkowej, które można również uzyskać za pomocą instrumentu HT, dostarczają informacji na temat odkształcalności komórek. Ponadto te różne parametry ilościowe można uzyskać na poziomie pojedynczej komórki, umożliwiając analizę korelacji między różnymi parametrami komórkowymi. HT została wykorzystana do badania czerwonych krwinek, białych krwinek, przechowywania krwi i cukrzycy.

Choroba zakaźna

Zdolność HT do obrazowania ilościowego bez znaczników została wykorzystana do badania różnych chorób zakaźnych. W szczególności zaatakowane przez pasożyty komórki gospodarza można skutecznie obrazować i badać za pomocą HT. Dzieje się tak dlatego, że barwienie lub znakowanie pasożytów wymaga skomplikowanego procesu przygotowania, a barwienie/znakowanie nie jest zbyt skuteczne w przypadku niektórych pasożytów. Inwazja Plasmodium falciparum lub pasożytów wywołujących malarię w poszczególnych krwinkach czerwonych mierzono za pomocą HT. Systematycznie analizowano strukturalne i biofizyczne zmiany w komórkach gospodarza i pasożytach. Zbadano również inwazję pasożytów babesia na krwinki czerwone. Toxoplasma gondii , pasożyt apikompleksowy wywołujący toksoplazmozę, może infekować komórki jądrzaste. Zmiany morfologii 3D i właściwości biofizycznych T gondii badano za pomocą HT.

Biotechnologia

Objętość komórek i suchą masę poszczególnych bakterii lub mikroalg można skutecznie określić ilościowo za pomocą HT. Ponieważ nie wymaga procesu barwienia, zapewniając jednocześnie dokładne wartości ilościowe, HT może być stosowany do testowania skuteczności barwników modyfikowanych.

Społeczność naukowa

Poniżej znajdują się aktywne konferencje naukowe dotyczące HT w ramach ilościowych technik obrazowania fazowego:

Technika i zastosowania HT zostały zamieszczone w następujących numerach specjalnych czasopism naukowych:

Zobacz też

  1. ^ Wilk, Emil (1969). „Wyznaczanie struktury trójwymiarowej obiektów półprzezroczystych na podstawie danych holograficznych”. Komunikacja optyczna . 1 (4): 153–156. Bibcode : 1969OptCo...1..153W . doi : 10.1016/0030-4018(69)90052-2 .
  2. Bibliografia   _ Bartelt, H.; Becker, H.; Wiltschko, E. (1979). „Tworzenie obrazu przez odwrócenie rozproszonych danych terenowych: eksperymenty i symulacja obliczeniowa”. Optyka stosowana . 18 (14): 2427–39. Bibcode : 1979ApOpt..18.2427F . doi : 10.1364/AO.18.002427 . Identyfikator PMID 20212679 .
  3. ^    Lauera, V (2002). „Nowe podejście do optycznej tomografii dyfrakcyjnej dające równanie wektorowe tomografii dyfrakcyjnej i nowatorski mikroskop tomograficzny”. Journal of Microscopy . 205 (2): 165–176. doi : 10.1046/j.0022-2720.2001.00980.x . PMID 11879431 . S2CID 30791056 .
  4. ^   Kim, Doyeon (2016). „Obrazowanie 3D w wysokiej rozdzielczości bez etykiet nanocząstek złota wewnątrz żywych komórek za pomocą optycznej tomografii dyfrakcyjnej”. bioRxiv 10.1101/097113 .
  5. ^    Kim, Kyoohyun (2016). „Trójwymiarowe obrazowanie bez znaczników i oznaczanie ilościowe kropelek lipidów w żywych hepatocytach” . Raporty naukowe . 6 : 36815. arXiv : 1611.01774 . Bibcode : 2016NatSR...636815K . doi : 10.1038/srep36815 . PMC 5118789 . PMID 27874018 .
  6. ^    Park, YongKeun (2018). „Ilościowe obrazowanie fazowe w biomedycynie”. Fotonika przyrody . 12 (10): 578–589. Bibcode : 2018NaPho..12..578P . doi : 10.1038/s41566-018-0253-x . PMID 26648557 . S2CID 126144855 .
  7. ^    Kim, Seul (2020). „H3R2me2a, w której pośredniczy PRMT6, prowadzi Aurorę B do ramion chromosomów w celu właściwej segregacji chromosomów” . Komunikacja natury . 11 (1): 612. doi : 10.1038/s41467-020-14511-w . PMC 6992762 . PMID 32001712 .
  8. ^    Choi, Won Hoon (11 sierpnia 2020). „Agresomalna sekwestracja i wszechobecność za pośrednictwem STUB1 podczas proteafagii zahamowanych proteasomów u ssaków” . PNAS . 117 (32): 19190–19200. doi : 10.1073/pnas.1920327117 . PMC 7430983 . PMID 32723828 .
  9. Bibliografia    _ Lee, S.; Jung, J.; Shin, S.; Choi, HG; Cha, GH; Park, W.; Lee, S.; Park, Y. (2018). „Łączenie trójwymiarowego ilościowego obrazowania fazowego i mikroskopii fluorescencyjnej do badania patofizjologii komórki” . Yale J Biol Med . 91 (3): 267–277. PMC 6153632 . PMID 30258314 .
  10. ^ Lambert, Aubrey (2020). „Obrazowanie żywych komórek za pomocą holotomografii i fluorescencji” . Mikroskopia dzisiaj . 28 : 18–23. doi : 10.1017/S1551929519001032 .
  11. Bibliografia    _ Lee, Seoeun; Yoon, Jonghee; Hej, Jihan; Choi, Chulhee; Park, Yongkeun (2016). „Trójwymiarowe obrazowanie bez znaczników i oznaczanie ilościowe kropelek lipidów w żywych hepatocytach” . Raporty naukowe . 6 :36815. arXiv : 1611.01774 . Bibcode : 2016NatSR...636815K . doi : 10.1038/srep36815 . PMC 5118789 . PMID 27874018 .
  12. Bibliografia    _ Ahn, Jae Won; Jo, Youngju; Kang, Ha-Young; Kim, Hyun Jung; Cheon, Yeongmi; Kim, Jin Won; Park, Yongkeun; Lee, Seongsoo; Park, Kyeongsoon (2020). „Obrazowanie tomograficzne kropelek lipidów w komórkach piankowych bez etykiet do oceny terapeutycznej ukierunkowanych nanoleków wspomaganej uczeniem maszynowym”. ACS Nano . 14 (2): 1856–1865. doi : 10.1021/acsnano.9b07993 . PMID 31909985 . S2CID 210087144 .
  13. Bibliografia    _ „Mikroskopia interferencyjna i oznaczanie masy”. Natura . 169 (4296): 366–7. Bibcode : 1952Natur.169..366B . doi : 10.1038/169366b0 . PMID 14919571 . S2CID 4188525 .
  14. ^    Park, YongKeun (2010). „Pomiar mechaniki krwinek czerwonych podczas zmian morfologicznych” . PNAS . 107 (15): 6731–6. Bibcode : 2010PNAS..107.6731P . doi : 10.1073/pnas.0909533107 . PMC 2872375 . PMID 20351261 .
  15. Bibliografia    _ „Charakterystyka białych krwinek bez etykiet poprzez pomiar trójwymiarowych map współczynnika załamania światła” . Optyka Biomedyczna Express . 6 (10): 3865–75. ar Xiv : 1505.02609 . Bibcode : 2015arXiv150502609Y . doi : 10.1364/BOE.6.003865 . PMC 4605046 . PMID 26504637 .
  16. ^    Park, Hyunjoo (2016). „Pomiar powierzchni komórki i odkształcalności poszczególnych ludzkich krwinek czerwonych podczas przechowywania krwi za pomocą ilościowego obrazowania fazowego” . Raporty naukowe . 6 : 34257. Bibcode : 2016NatSR...634257P . doi : 10.1038/srep34257 . PMC 5048416 . PMID 27698484 .
  17. Bibliografia    _ „Tomogramy współczynnika załamania światła i dynamiczne fluktuacje błonowe krwinek czerwonych od pacjentów z cukrzycą” . Raporty naukowe . 7 (1): 1039. Bibcode : 2017NatSR...7.1039L . doi : 10.1038/s41598-017-01036-4 . PMC 5430658 . PMID 28432323 .
  18. ^    Park, YongKeun (2008). „Mapy współczynnika załamania światła i dynamika błony ludzkich krwinek czerwonych zarażonych pasożytem Plasmodium falciparum” . PNAS . 105 (37): 13730–13735. Bibcode : 2008PNAS..10513730P . doi : 10.1073/pnas.0806100105 . PMC 2529332 . PMID 18772382 .
  19. Bibliografia    _ „Charakterystyka poszczególnych mysich krwinek czerwonych zarażonych pasożytem przez Babesia microti przy użyciu trójwymiarowej mikroskopii holograficznej” . Raporty naukowe . 5 : 10827. arXiv : 1505,00832 . Bibcode : 2015NatSR...510827P . doi : 10.1038/srep10827 . PMC 4650620 . PMID 26039793 .
  20. ^    Firdaus, Egy Rahman; Park, Ji-Hoon; Lee, Seong-Kyun; Park, Yongkeun; Cha, Guang-Ho; Han, Eun-Taek (2020). „Zmiany morfologiczne i biofizyczne 3D w pojedynczym tachyzoicie i jego zainfekowanych komórkach przy użyciu trójwymiarowego ilościowego obrazowania fazowego”. Dziennik biofotoniki . 13 (8): e202000055. doi : 10.1002/jbio.202000055 . PMID 32441392 . S2CID 218831871 .
  21. Bibliografia    _ Seo, Hogyun; Park, Woojin; Seok, Jihye; Lee, Jong An; Kim, Won czerwca; Kim, Gi Bae; Kim, Kyung-Jin; Lee, śpiewał tak (2020). „Zwiększona produkcja kwasu bursztynowego przez Mannheimia z wykorzystaniem optymalnej dehydrogenazy jabłczanowej” . Komunikacja natury . 11 (1): 1970. doi : 10.1038/s41467-020-15839-z . PMC 7181634 . PMID 32327663 .
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Holotomography&oldid=1141753375 ”