Ρίξτε μια πιο προσεκτική ματιά στα ζωντανά κελιά χάρη στη νέα τεχνολογία μικροσκοπίας

Οι βελτιώσεις στην ποσοτική απεικόνιση φάσης μπορούν να αυξήσουν τη σαφήνεια της εικόνας επεκτείνοντας το δυναμικό εύρος.

Οι ειδικοί της οπτικής φυσικής έχουν αναπτύξει έναν νέο τρόπο για να κοιτάξουν το εσωτερικό των ζωντανών κυττάρων χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα μικροσκοπική τεχνολογία και χωρίς την ανάγκη προσθήκης βαφών ή χρωστικών φθορισμού.

Δεδομένου ότι τα μεμονωμένα κελιά είναι σχεδόν διαφανή, οι μικροσκοπικές κάμερες πρέπει να ανιχνεύουν εξαιρετικά λεπτές διαφορές στο φως που διέρχεται από μέρη του κελιού. Αυτές οι διαφορές είναι γνωστές ως φάσεις φωτός. Οι αισθητήρες εικόνας της κάμερας περιορίζονται από την ποσότητα της διαφοράς φάσης του φωτός, η οποία μπορεί να ονομαστεί δυναμική περιοχή.

“Αν θέλουμε να δούμε περισσότερες λεπτομέρειες με παρόμοιους αισθητήρες εικόνας, πρέπει να επεκτείνουμε το δυναμικό εύρος έτσι ώστε να εντοπίσουμε ελαφρές αλλαγές φάσης στο φως”, δήλωσε ο Takuro Ideguchi, αναπληρωτής καθηγητής στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας Φωτονίων στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο.

Η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια τεχνική που φωτίζει τη χωριστή μέτρηση μεγάλων και μικρών αλλαγών στη φάση φωτός δύο φορές και στη συνέχεια τις συνδυάζει ακτινικά για να παράγει μια πολύ λεπτομερή τελική εικόνα. Κάλεσε τη μέθοδο του Adaptive Dynamic Range Shift Quantitative Phase Imaging (ADRIFT-QPI) και δημοσίευσε πρόσφατα τα αποτελέσματά του Φωτισμός: Επιστήμη και Εφαρμογές.

Οι εικόνες των σφαιρών πυριτίου που λαμβάνονται με συμβατική ποσοτική απεικόνιση φάσης (πάνω) και μια σαφής εικόνα δημιουργούνται χρησιμοποιώντας τη νέα μέθοδο μικροσκοπίας ADRIFT-QPI (παρακάτω) που αναπτύχθηκε από μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο. Οι φωτογραφίες στα αριστερά είναι εικόνες της οπτικής φάσης και οι φωτογραφίες στα δεξιά είναι οι αλλαγές στις οπτικές φάσεις που προκαλούνται από την απορρόφηση φωτός από τις κεντρικές υπέρυθρες (μοριακά ειδικές) πυριτικές σφαίρες. Σε αυτήν την επίδειξη της απόδειξης της έννοιας, οι επιστήμονες υπολόγισαν ότι πέτυχαν περίπου 7 φορές μεγαλύτερη ευαισθησία με το ADRIFT-QPI από το παραδοσιακό QPI. Συντελεστές: Toda et al. Φωτογραφία του συγγραφέα CC-BY 4.0

«Η μέθοδος ADRIFT-QPI δεν απαιτεί ειδικό λέιζερ, ειδικό μικροσκόπιο ή αισθητήρα εικόνας. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ζωντανά κύτταρα, δεν χρειαζόμαστε λεκέδες ή φθορισμό και η πιθανότητα φωτοτοξικότητας είναι πολύ μικρή », δήλωσε ο Ideguchi.

Η φωτοτοξικότητα αναφέρεται στη θανάτωση κυττάρων από το φως, το οποίο μπορεί να είναι πρόβλημα με κάποιες άλλες τεχνικές απεικόνισης, όπως η απεικόνιση φθορισμού.

Η ποσοτική απεικόνιση φάσης στέλνει έναν παλμό ενός επίπεδου στρώματος φωτός προς το κελί και στη συνέχεια μετρά τη μετατόπιση φάσης των φωτεινών κυμάτων που διέρχονται από το κελί. Στη συνέχεια, η ανάλυση υπολογιστή αναδομεί μια εικόνα των κύριων δομών στο κελί. Ο Ideguchi και οι συνεργάτες του είχαν εισαγάγει στο παρελθόν άλλες μεθόδους για τη βελτίωση της μικροσκοπίας ποσοτικής φάσης.

Η ποσοτική απεικόνιση φάσης είναι ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη μεμονωμένων κυττάρων, διότι επιτρέπει στους επιστήμονες να κάνουν λεπτομερείς μετρήσεις όπως η παρακολούθηση του ρυθμού ανάπτυξης των κυττάρων από τις αλλαγές στα φωτεινά κύματα. Ωστόσο, η ποσοτική ευαισθησία αυτής της τεχνικής είναι χαμηλή επειδή ο κορεσμός του αισθητήρα εικόνας είναι χαμηλός, έτσι τα νανοσωματίδια δεν μπορούν να εντοπιστούν μέσα και γύρω από τα κελιά με συμβατικές μεθόδους.

ADRIFT QPI Live COS7 Prodaja

Η τυπική εικόνα (παραπάνω) λήφθηκε χρησιμοποιώντας συμβατική ποσοτική απεικόνιση φάσης και καθαρή εικόνα (παρακάτω) χρησιμοποιώντας τη νέα μέθοδο ADRIFT-QPI για μικροσκοπία που αναπτύχθηκε από μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο. Οι φωτογραφίες στα αριστερά είναι εικόνες της οπτικής φάσης και οι εικόνες στα δεξιά δείχνουν αλλαγές στην οπτική φάση κυρίως λόγω της απορρόφησης του φωτός στο μεσαίο υπέρυθρο (ειδικό μόριο). Το μπλε βέλος δείχνει στην άκρη του πυρήνα, το άσπρο βέλος δείχνει στον πυρήνα (το φράγμα μέσα στον πυρήνα) και το πράσινο βέλος δείχνει άλλα μεγαλύτερα σωματίδια. Συντελεστές: Toda et al. Φωτογραφία του συγγραφέα CC-BY 4.0

Η νέα μέθοδος ADRIFT-QPI έχει ξεπεράσει το όριο απεικόνισης δυναμικής ποσοτικής φάσης. Κατά τη διάρκεια του ADRIFT-QPI, η κάμερα καταγράφει δύο εκθέσεις και παράγει μια τελική εικόνα που είναι επτά φορές πιο ευαίσθητη από τις συμβατικές μικροσκοπικές εικόνες ποσοτικής φάσης.

Η πρώτη έκθεση γίνεται χρησιμοποιώντας συμβατική ποσοτική απεικόνιση φάσης – ένα δείγμα επίπεδου φωτός παλείται προς το δείγμα και η φάση φωτός μετράται καθώς περνά το δείγμα. Το πρόγραμμα ανάλυσης εικόνας υπολογιστή αναπτύσσει πρώτα μια εικόνα του δείγματος με βάση την έκθεση και στη συνέχεια δημιουργεί γρήγορα ένα μοτίβο φωτός που αντανακλά την εικόνα του δείγματος. Ένα ξεχωριστό εξάρτημα, που ονομάζεται κυματομορφή σχεδιαστικής συσκευής, στη συνέχεια δημιουργεί αυτό το “γλυπτό φωτός” με φως υψηλής έντασης, παρέχοντας καλύτερο φωτισμό και παλμούς μοτίβων για τη δεύτερη οθόνη.

Εάν η πρώτη έκθεση παράγει μια εικόνα που ήταν μια πραγματική αναπαράσταση του δείγματος, τότε τα προσαρμοσμένα κύματα φωτός της δεύτερης έκθεσης φτάνουν στο δείγμα σε διαφορετικά στάδια, περνώντας μέσα από το δείγμα και στη συνέχεια σε μια επίπεδη πλάκα φωτός. Εμφανίζεται σε σχήμα και δημιουργεί ένα φως που επιτρέπει στην κάμερα να βλέπει μόνο τη σκοτεινή εικόνα.

«Είναι ενδιαφέρον: αφαιρούμε το δείγμα εικόνας. Δεν θέλουμε να δούμε σχεδόν τίποτα. Κατασκευάζουμε μεγάλες κατασκευές για να δούμε τις μικρότερες λεπτομερώς », εξήγησε ο Ideguchi.

Στην πραγματικότητα, η πρώτη έκθεση είναι ελλιπής, έτσι μικροσκοπικά φωτεινά κύματα εμφανίζονται με λεπτές αποκλίσεις φάσης.

Η δεύτερη έκθεση έδειξε ότι υπήρχαν μικρές διαφορές φάσης που «ξεπλύθηκαν» λόγω των μεγάλων διαφορών στην πρώτη έκθεση. Αυτές οι υπόλοιπες ελαφρές διαφορές φάσης του φωτός μπορούν να μετρηθούν με αυξημένη ευαισθησία λόγω του ισχυρότερου φωτισμού που χρησιμοποιείται στο δεύτερο φωτισμό.

Πρόσθετη ανάλυση υπολογιστή αναδομεί την τελική εικόνα του δείγματος στο εκτεταμένο δυναμικό εύρος και από τα δύο αποτελέσματα μέτρησης. Αποδεικνύοντας τα στοιχεία για αυτήν την ιδέα, οι επιστήμονες εκτιμούν ότι το ADRIFT-QPI παράγει εικόνες με επτά φορές μεγαλύτερη ευαισθησία από μια συμβατική εικόνα ποσοτικής φάσης.

Ο Ideguchi υποστηρίζει ότι το πραγματικό πλεονέκτημα του ADRIFT-QPI είναι η ικανότητα να βλέπουμε μικρά σωματίδια στο πλαίσιο ενός ολόκληρου ζωντανού κυττάρου χωρίς την ανάγκη για ετικέτες ή λεκέδες.

“Για παράδειγμα, μικρά σήματα μπορούν να ανιχνευθούν από νανοσωματίδια όπως ιούς ή σωματίδια που κινούνται μέσα και έξω από το κελί, επιτρέποντας τη συμπεριφορά και την κατάσταση των κυττάρων τους να παρακολουθούνται ταυτόχρονα”, δήλωσε ο Ideguchi.

V povezavi z. Toda, m. Tamamitsu in T. “Adaptive Dynamic Range Shift (ADRIFT) Quantitative Phase Imaging” avtor Ideguchi, 31 Δεκεμβρίου 2020 Φωτισμός: Επιστήμη και Εφαρμογές.
DOI: 10.1038 / s41377-020-00435-z

Χρηματοδότηση: Ιαπωνική Υπηρεσία Επιστήμης και Τεχνολογίας, Ιαπωνική Εταιρεία Προώθησης της Επιστήμης.

READ  Οι επιστήμονες ανακάλυψαν σπάνια είδη καρχαριών που έζησαν πριν από περισσότερα από 90 εκατομμύρια χρόνια, δείτε φωτογραφίες

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *