Голотомография

Голотомография (ГТ) — это лазерный метод измерения трехмерной показателя преломления (RI) томограммы микроскопического образца, такого как биологические клетки и ткани . Поскольку RI может служить внутренним контрастом изображений для прозрачных или фазовых объектов, измерения томограмм RI могут обеспечить без меток количественное изображение микроскопических фазовых объектов . Для измерения трехмерной RI-томограммы образцов HT использует принцип голографического изображения 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] и 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 первая коммерческая HT компания Nanolive. ^[3] была основана, а затем в 2014 году — 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.

Без меток: клеточные мембраны и субклеточные органеллы можно четко визуализировать без использования экзогенных маркировочных агентов. Таким образом, не возникает проблем фототоксичности, фотообесцвечивания и фотоповреждения.
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.
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 о RI не может быть напрямую связана с информацией о молекулах или белках, за исключением таких заметных случаев, как наночастицы золота. ^[5] или липидные капли ^[6] которые демонстрируют отчетливо высокие значения RI по сравнению с цитоплазмой клетки.

Приложения

Приложения HT включают в себя: ^[7]

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 ГТ. ^[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] белые кровяные тельца, ^[16] хранение крови, ^[17] и диабет. ^[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 ГТ. ^[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 трехмерной 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 действующие научные конференции по HT как части методов количественной фазовой визуализации:

Конференция по количественной фазовой визуализации , SPIE Photonics West

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

Специальный выпуск, посвященный количественной фазовой визуализации для цитометрии без меток в цитометрии, часть A, 2019 г.
Тема исследования «Количественная фазовая визуализация и ее применение в биофизике, биологии и медицине на передовых рубежах физики»

См. также

Ссылки

^ 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 .
^ Ферчер, А.Ф.; 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 .
^ "Дом" . nanolive.ch . Проверено 26 августа 2020 г.
^ 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 . ПМИД 11879431 . S2CID 30791056 .
^ Ким, Доён (2016). «Трехмерное изображение наночастиц золота внутри живых клеток с высоким разрешением без меток с использованием оптической дифракционной томографии». bioRxiv 10.1101/097113 .
^ Ким, Кёхён (2016). «Трехмерная визуализация без меток и количественный анализ липидных капель в живых гепатоцитах» . Научные отчеты . 6 : 36815. arXiv : 1611.01774 . Бибкод : 2016НатСР...636815К . дои : 10.1038/srep36815 . ПМК 5118789 . ПМИД 27874018 .
^ 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 . ПМИД 26648557 . S2CID 126144855 .
^ 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 . дои : 10.1038/s41467-020-14511-w . ПМК 6992762 . ПМИД 32001712 .
^ 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 .
^ 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 .
^ Ламберт, Обри (2020). «Визуализация живых клеток с помощью голотомографии и флуоресценции» . Микроскопия сегодня . 28 : 18–23. дои : 10.1017/S1551929519001032 .
^ 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 : 2016НатСР...636815К . дои : 10.1038/srep36815 . ПМК 5118789 . ПМИД 27874018 .
^ Пак, Сангу; 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. дои : 10.1021/acsnano.9b07993 . ПМИД 31909985 . S2CID 210087144 .
^ Бабер, Р. (1952). «Интерференционная микроскопия и массовое определение». Природа . 169 (4296): 366–7. Бибкод : 1952Natur.169..366B . дои : 10.1038/169366b0 . ПМИД 14919571 . S2CID 4188525 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ ХёнДжу, Пак (2015). «Характеристика отдельных эритроцитов мышей, зараженных Babesia microti, с использованием трехмерной голографической микроскопии» . Научные отчеты . 5 : 10827. arXiv : 1505.00832 . Бибкод : 2015НатСР...510827П . дои : 10.1038/srep10827 . ПМК 4650620 . ПМИД 26039793 .
^ 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 . ПМИД 32441392 . S2CID 218831871 .
^ 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 мангеймией с использованием оптимальной малатдегидрогеназы» . Природные коммуникации . 11 (1): 1970. Бибкод : 2020NatCo..11.1970A . дои : 10.1038/s41467-020-15839-z . ПМЦ 7181634 . ПМИД 32327663 .

[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, А.Ф.; 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 . ПМИД 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 : 2016НатСР...636815К . 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 . ПМИД 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 . дои : 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 : 2016НатСР...636815К . дои : 10.1038/srep36815 . ПМК 5118789 . ПМИД 27874018 .

[13] Пак, Сангу; 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. дои : 10.1021/acsnano.9b07993 . ПМИД 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 . ПМИД 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 мышей, зараженных Babesia microti, с использованием трехмерной голографической микроскопии» . Научные отчеты . 5 : 10827. arXiv : 1505.00832 . Бибкод : 2015НатСР...510827П . 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 . ПМИД 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 мангеймией с использованием оптимальной малатдегидрогеназы» . Природные коммуникации . 11 (1): 1970. Бибкод : 2020NatCo..11.1970A . дои : 10.1038/s41467-020-15839-z . ПМЦ 7181634 . ПМИД 32327663 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]