Ny mikroskopiteknik afbilder levende celler med 7 gange større følsomhed

Eksperter i optisk fysik har udviklet en ny måde at se inde i levende celler mere detaljeret ved hjælp af eksisterende mikroskopiteknologi og uden at skulle tilføje pletter eller fluorescerende farvestoffer.

Da individuelle celler er næsten gennemskinnelige, mikroskopkameraer skal registrere ekstremt subtile forskelle i lyset, der passerer gennem dele af cellen. Disse forskelle er kendt som lysets fase. Kameraets billedsensorer er begrænset af, hvor meget lysfaseforskel de kan registrere, kaldet dynamisk område.

"For at se flere detaljer ved hjælp af den samme billedsensor, vi skal udvide det dynamiske område, så vi kan detektere mindre faseændringer af lys, "sagde lektor Takuro Ideguchi fra University of Tokyo Institute for Photon Science and Technology.

Forskerholdet udviklede en teknik til at tage to eksponeringer for at måle store og små ændringer i lysfasen separat og derefter sømløst forbinde dem for at skabe et meget detaljeret endeligt billede. De navngav deres metode adaptive dynamic range shift quantitative phase imaging (ADRIFT-QPI) og offentliggjorde for nylig deres resultater i Lys:Videnskab og applikationer .

"Vores ADRIFT-QPI-metode behøver ingen speciel laser, ingen specielle mikroskop eller billedsensorer; vi kan bruge levende celler, vi behøver ingen pletter eller fluorescens, og der er meget lille chance for fototoksicitet, " sagde Ideguchi.

Fototoksicitet refererer til at dræbe celler med lys, som kan blive et problem med nogle andre billedbehandlingsteknikker, såsom fluorescensbilleddannelse.

Kvantitativ fasebilleddannelse sender en puls af et fladt lysark mod cellen, måler derefter faseforskydningen af ​​lysbølgerne, efter de passerer gennem cellen. Computeranalyse rekonstruerer derefter et billede af de vigtigste strukturer inde i cellen. Ideguchi og hans samarbejdspartnere har tidligere været pionerer med andre metoder til at forbedre kvantitativ fasemikroskopi.

Kvantitativ fasebilleddannelse er et kraftfuldt værktøj til at undersøge individuelle celler, fordi det giver forskere mulighed for at foretage detaljerede målinger, som at spore væksthastigheden af ​​en celle baseret på skiftet i lysbølger. Imidlertid, det kvantitative aspekt af teknikken har lav følsomhed på grund af billedsensorens lave mætningskapacitet, så sporing af partikler i nanostørrelse i og omkring celler er ikke muligt med en konventionel tilgang.

Den nye ADRIFT-QPI metode har overvundet den dynamiske rækkevidde begrænsning af kvantitativ fase billeddannelse. Under ADRIFT-QPI, kameraet tager to eksponeringer og producerer et sidste billede, der har syv gange større følsomhed end traditionelle kvantitative fasemikroskopibilleder.

Den første eksponering er produceret med konventionel kvantitativ fasebilleddannelse - et fladt lysark pulseres mod prøven, og lysets faseskift måles, efter at det passerer gennem prøven. Et computerbilledanalyseprogram udvikler et billede af prøven baseret på den første eksponering og designer derefter hurtigt en skulptureret bølgefront af lys, der spejler billedet af prøven. En separat komponent kaldet en bølgefrontformningsenhed genererer derefter denne "lysskulptur" med lys med højere intensitet for stærkere belysning og pulserer den mod prøven for en anden eksponering.

Hvis den første eksponering producerede et billede, der var en perfekt repræsentation af prøven, de specialskulpturerede lysbølger fra den anden eksponering ville trænge ind i prøven i forskellige faser, passere gennem prøven, så dukker op som et fladt lysark, hvilket får kameraet til ikke at se andet end et mørkt billede.

"Dette er det interessante:Vi sletter på en måde prøvens billede. Vi vil næsten ikke se noget. Vi annullerer de store strukturer, så vi kan se de mindre i detaljer, " forklarede Ideguchi.

I virkeligheden, den første eksponering er ufuldkommen, så de skulpturelle lysbølger kommer frem med subtile faseafvigelser.

Den anden eksponering afslører små lysfaseforskelle, der blev "vasket ud" af større forskelle i den første eksponering. Disse resterende små lysfaseforskelle kan måles med øget følsomhed på grund af den stærkere belysning, der bruges i den anden eksponering.

Yderligere computeranalyse rekonstruerer et endeligt billede af prøven med et udvidet dynamisk område fra de to måleresultater. I proof-of-concept demonstrationer, forskere vurderer, at ADRIFT-QPI producerer billeder med syv gange større følsomhed end konventionel kvantitativ fasebilleddannelse.

Ideguchi siger, at den sande fordel ved ADRIFT-QPI er dens evne til at se små partikler i sammenhæng med hele den levende celle uden at have brug for etiketter eller pletter.

"For eksempel, små signaler fra partikler i nanoskala som virus eller partikler, der bevæger sig rundt i og uden for en celle, kunne detekteres, som muliggør samtidig observation af deres adfærd og cellens tilstand, " sagde Ideguchi.