A se vedea mai multe detalii în interiorul celulelor vii folosind noua tehnică de microscopie

Cercetătorii de la Universitatea din Tokyo au găsit o modalitate de a crește sensibilitatea imaginilor de fază cantitative existente, astfel încât toate structurile din celulele vii să poată fi văzute simultan, de la particule mici la structuri mari. Această reprezentare artistică a tehnicii prezintă impulsuri de lumină sculptată (verde, în sus) care călătoresc printr-o celulă (centru) și ies (în jos) unde modificările undelor de lumină pot fi analizate și transformate într-o imagine mai detaliată. Credit: s-graphics.co.jp, CC BY-NC-ND

Actualizarea imaginii de fază cantitativă poate crește claritatea imaginii prin extinderea gamei dinamice.

Experții în fizică optică au dezvoltat un nou mod de a privi în celulele vii în detaliu folosind tehnologia de microscopie existentă, fără a fi nevoie să adăugați pete sau coloranți fluorescenți.

Deoarece celulele individuale sunt aproape translucide, camerele microscopice trebuie să detecteze modificări extrem de subtile ale luminii care trece prin părți ale celulei. Aceste modificări sunt cunoscute sub numele de faza luminoasă. Senzorii de imagine ai camerei sunt limitați de cantitatea de lumină pe care o pot detecta, numită interval dinamic.

„Pentru a vedea mai multe detalii folosind același senzor de imagine, trebuie să extindem gama dinamică, astfel încât să putem detecta modificări mai mici în faza luminoasă”, a declarat profesorul asociat Takuro Ideguchi de la Institutul Universitar din Tokyo pentru știința și tehnologia fotonilor.

Echipa de cercetare a dezvoltat o tehnică pentru a face două expuneri pentru a măsura separat schimbările mari și mici în faza de lumină și apoi le-a conectat fără întrerupere pentru a crea o imagine finală foarte detaliată. Ei și-au numit metoda Adaptarea imaginii cu imagine de deplasare dinamică a fazei cantitative (ADRIFT-QPI) și recent și-au publicat rezultatele în Lumina: Știință și aplicații.

Extindere dinamică a gamei prin ADRIFT QPI

Imagini de margele de silice luate folosind imaginea convențională de fază cantitativă (de mai sus) și o imagine mai clară produsă utilizând o nouă metodă de microscopie ADRIFT-QPI (de jos) dezvoltată de o echipă de cercetători de la Universitatea din Tokyo . Imaginile din stânga sunt imagini cu fază optică, iar imaginile din dreapta arată schimbarea fazei optice datorită absorbției luminii între infraroșu (molecular molecular) de către mărgelele de silice. În această demonstrație a testului conceptului, cercetătorii au calculat că au obținut sensibilitate de aproximativ 7 ori mai mare de la ADRIFT-QPI decât cea de la QPI convențional. Credit: Imagine de Toda și colab., CC-BY 4.0

„Metoda noastră ADRIFT-QPI nu necesită lasere speciale, microscopuri speciale sau senzori de imagine; “Putem folosi celule vii, nu avem nevoie de pete sau fluorescență și există foarte puține posibilități de fototoxicitate”, a spus Ideguchi.

Fototoxicitatea se referă la uciderea celulelor cu lumină, care poate deveni o problemă cu alte tehnici imagistice, cum ar fi imagistica fluorescentă.

Imaginea cantitativă a fazei trimite un impuls al unei foi plate de lumină către celulă, apoi măsoară defazarea undelor de lumină pe măsură ce acestea trec prin celulă. Analiza computerizată reconstruiește apoi o imagine a principalelor structuri din interiorul celulei. Ideguchi și colaboratorii săi au inițiat anterior alte metode pentru a îmbunătăți microscopia de fază cantitativă.

Imaginea de fază cantitativă este un instrument puternic pentru examinarea celulelor individuale, deoarece permite cercetătorilor să facă măsurători detaliate, cum ar fi urmărirea ratei de creștere a unei celule pe baza deplasării undelor de lumină. Cu toate acestea, aspectul cantitativ al tehnicii are o sensibilitate redusă datorită capacității scăzute de saturație a senzorului de imagine, astfel încât urmărirea particulelor nanosizate în interiorul și în jurul celulelor nu este posibilă printr-o abordare convențională.

ADRIFT QPI Direct COS7 Cell

O imagine standard (sus) obținută utilizând imaginea convențională de fază cantitativă și o imagine mai clară (jos) produsă utilizând o nouă metodă de microscopie ADRIFT-QPI dezvoltată de o echipă de cercetători de la Universitatea din Tokyo. Imaginile din stânga sunt imagini cu fază optică, iar imaginile din dreapta arată schimbarea fazei optice datorită absorbției luminii în infraroșu mediu (specific molecular) în principal de către proteină. Săgeata albastră indică marginea nucleului, săgeata albă arată nucleul (o substructură din nucleu), iar săgețile verzi indică alte particule mari. Credit: Imagine de Toda și colab., CC-BY 4.0

Noua metodă ADRIFT-QPI a depășit limitarea intervalului dinamic al imaginii de fază cantitativă. În timpul ADRIFT-QPI, camera face două expuneri și produce o imagine finală care are de șapte ori sensibilitatea imaginilor tradiționale de microscopie cantitativă.

Prima expunere este produsă cu imagini de fază cantitative convenționale – o foaie plană de impulsuri de lumină către probă și schimbările de fază ale luminii sunt măsurate după ce trece prin probă. Un software de analiză a imaginii dezvoltă un eșantion de imagine bazat pe prima expunere, apoi creează rapid un front de undă de lumină sculptat care reflectă imaginea respectivă. O componentă specială numită dispozitivul de modelare a frontului de undă generează apoi această „sculptură de lumină” cu lumină de intensitate mai mare pentru o iluminare mai puternică și o impulsionează spre probă pentru o a doua expunere.

Dacă prima expunere ar produce o imagine care reprezenta o reprezentare perfectă a eșantionului, undele de lumină sculptate la comandă ale celei de-a doua expuneri ar intra în eșantion în diferite etape, ar trece prin eșantion, apoi vor apărea ca o foaie plată de lumină, determinând aparatul să nu vadă decât o imagine întunecată.

„Acesta este un lucru interesant: ștergem imaginea eșantionului. Nu vrem să vedem aproape nimic. Anulăm structurile mari, astfel încât să le putem vedea mai detaliat pe cele mai mici “, a explicat Ideguchi.

În realitate, prima expunere este imperfectă, astfel încât undele de lumină sculptate ies cu devieri de fază subtile.

A doua expunere detectează mici modificări în faza de lumină care au fost „spălate” de modificări mai mari în prima expunere. Aceste mici modificări în faza luminoasă pot fi măsurate cu o sensibilitate crescută datorită iluminării mai puternice utilizate în a doua expunere.

O analiză computerizată suplimentară reconstituie o imagine de eșantion finală cu un interval dinamic îmbunătățit de cele două rezultate ale măsurătorilor. În demonstrațiile de testare a conceptului, cercetătorii estimează că ADRIFT-QPI produce imagini cu o sensibilitate de șapte ori mai mare decât imaginea de fază cantitativă convențională.

Ideguchi spune că adevăratul beneficiu al ADRIFT-QPI este capacitatea sa de a vedea particule mici în contextul întregii celule vii, fără a fi nevoie de nici o etichetă sau pată.

„De exemplu, semnalele mici pot fi detectate de particule la scară nanomatică, cum ar fi virușii sau particulele care se deplasează în interiorul și în afara unei celule, ceea ce permite o observare simultană a comportamentului și a stării celulare”, a spus Ideguchi.

Referință: „Imagini ale fazei cantitative a schimbării adaptării dinamice (ADRIFT)” de K. Toda, M. Tamamitsu și T. Ideguchi, 31 decembrie 2020, Lumina: Știință și aplicații.
DOI: 10.1038 / s41377-020-00435-z

Finanțare: Agenția japoneză pentru știință și tehnologie, Societatea japoneză pentru promovarea științei.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Modelul demonstrează similitudini în modul în care studiază oamenii și insectele

Modelul de calcul demonstrează similaritatea în cunoașterea împrejurimilor oamenilor și insectelor. Potrivit unui nou studiu de la Universitatea din Sussex, care arată cum oamenii pot...

Cum am creat „furtuna perfectă” pentru evoluția și transmiterea bolilor infecțioase, cum ar fi COVID-19

Potrivit unui cercetător de la Universitatea din Anglia de Est, în majoritatea modurilor noastre, „furtuna perfectă” a fost creată pentru evoluția și transmiterea bolilor...

„Adezivul molecular” crește eficiența și face ca celulele solare perovskite să devină mult mai fiabile în timp

Cercetătorii au folosit „adeziv molecular” auto-asamblat monostrat pentru a consolida interfețele din celulele solare perovskite pentru a le face mai eficiente, stabile și fiabile....

Pastele plate sunt atât de avansate încât se formează în morfuri atunci când sunt fierte

Laboratorul CMU gestionează producția de paste, care își schimbă forma pe măsură ce gătește. Credit: Universitatea Carnegie Mellon Pastele plate ambalate creează ambalare, transport...

Oamenii de știință ai undelor gravitaționale Excelentă nouă metodă de rafinare a constantei Hubble – expansiunea și vârsta universului

O ilustrare a artistului unei perechi unificate de stele neutronice. Credit: Carl Knox, Universitatea OzGrav-Swinburne O echipă de oameni de știință internaționali, condusă de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.