Podívejte se podrobněji na živé buňky pomocí nových technik mikroskopu

Vědci z Tokijské univerzity našli způsob, jak zvýšit citlivost existujícího kvantitativního fázového zobrazování tak, aby bylo možné vidět všechny struktury uvnitř živých buněk současně, od malých částic po velké struktury. Toto umělecké znázornění techniky ukazuje vytvarované světelné impulsy (zelené, nahoru) procházející buňkou (uprostřed) և ven (zdola), kde lze analyzovat změny světelných vln և transformované do podrobnějšího obrazu. Půjčka: s-graphics.co.jp, CC BY-NC-ND

Kvantitativní aktualizace obrazu krok za krokem může zvýšit ostrost obrazu rozšířením dynamického rozsahu.

Optičtí fyzici vyvinuli nový způsob, jak se blíže podívat do živých buněk pomocí stávající technologie mikroskopů, aniž by bylo nutné přidávat skvrny nebo fluorescenční barviva.

Protože jednotlivé buňky jsou téměř průsvitné, musí mikroskopické kamery detekovat extrémně jemné rozdíly ve světle procházejícím kamerou. Tyto rozdíly jsou známé jako fáze světla. Obrazové snímače fotoaparátu jsou omezeny množstvím fázového rozdílu ve světle, které mohou detekovat, což se nazývá dynamický rozsah.

„Chcete-li vidět více podrobností prostřednictvím stejného obrazového snímače, musíme rozšířit dynamický rozsah, abychom mohli detekovat malé fáze světla,“ řekl Takuro Idegucci, docent na Photon Institute of Science and Technology na Tokijské univerzitě.

Výzkumný tým vyvinul techniku ​​pro aplikaci dvou efektů: samostatné měření velkých, malých změn ve světelné fázi a jejich bezproblémové propojení, čímž vznikne velmi detailní výsledný obraz. Svou metodu nazvali Adaptive Dynamic Stage Quantitative Imaging (ADRIFT-QPI) a nedávno zveřejnili své výsledky. Světlo. Věda և Aplikace,

Dynamické rozšiřování domény pomocí ADRIFT QPI

Obrázky z křemíkových kuliček pořízené pomocí standardního kvantitativního fázového zobrazování (výše) և Jasnější obraz vytvořený novým mikroskopem ADRIFT-QPI vyvinutým výzkumným týmem University of Tokyo (dole). Obrázky vlevo jsou obrazy optické fáze a obrázky vpravo ukazují změnu optické fáze absorpcí podkladového infračerveného (molekulárně specifického) světla křemíkovými kuličkami. Během této demonstrace konceptu důkazu vědci vypočítali, že pomocí ADRIFT-QPI dosáhli přibližně 7krát vyšší citlivosti než běžné QPI. Půjčka. Obrázek Toda և ostatní, CC-BY 4.0

„Naše metoda ADRIFT-QPI nepotřebuje speciální lasery, speciální mikroskopy ani obrazové senzory. „Můžeme použít živé buňky, nepotřebujeme žádné skvrny ani fluorescenční látky, pravděpodobnost fototoxicity je velmi nízká,“ uvedl Idegucci.

Fototoxicita označuje destrukci buněk světlem, což může být problém u některých dalších zobrazovacích technik, jako je například fluorescenční zobrazování.

Kvantitativní fázové zobrazování vysílá pulz ploché vrstvy světla do buňky a poté měří fázový posun světelných vln při jejich průchodu buňkou. Počítačová analýza poté rekonstruuje obraz hlavních struktur uvnitř buňky. Idegucci a jeho kolegové již dříve navrhli další metody pro zvýšení kvantitativního fázového mikroskopu.

Kvantitativní fázové zobrazování je výkonným nástrojem pro studium jednotlivých buněk, protože umožňuje vědcům provádět podrobná měření, například sledovat rychlost růstu buněk na základě pohybu světelných vln. Kvantitativním aspektem této techniky je však nízká citlivost, protože obrazový snímač má nízkou sílu nasycení, takže při běžném přístupu není možné sledovat nanočástice v buňkách a kolem nich.

Buňka ADRIFT QPI Live COS7:

Standardní snímek (nahoře և) vyvinutý výzkumným týmem na univerzitě v Tokiu, pořízený pomocí standardního kvantitativního fázového zobrazování և jednodušší obraz (dole և) vytvořený pomocí nové metody mikroskopu ADRIFT-QPI. Obrázky vlevo jsou obrazy optické fáze, zatímco obrázky vpravo ukazují, že optická fáze je změněna absorpcí středního infračerveného (molekulárně specifického) světla, zejména bílkovinami. Modrá šipka ukazuje na okraj jádra, bílá šipka ukazuje na jádra (infrastruktura uvnitř jádra) a zelené šipky ukazují na další velké částice. Půjčka. Obrázek Toda և ostatní, CC-BY 4.0

Nová metoda ADRIFT-QPI překonala omezení dynamického rozsahu kvantitativních fázových obrazů. Během ADRIFT-QPI fotoaparát pořídí dvě expozice a vytvoří konečný obraz, který je sedmkrát citlivější než tradiční snímky z mikroskopů s kvantovou fází.

První efekt je produkován konvenčním kvantitativním fázovým zobrazováním. Na vzorek dopadá plochá vrstva světla, փուլ fáze světla se měří po průchodu vzorkem. Software pro počítačovou analýzu obrazu vytvoří ukázkový obraz na základě prvního efektu, poté rychle vytvoří přední část sochy světelné vlny, která odráží ukázkový obraz. Pak samostatná složka, zvaná tvar vlny, vytvoří tuto „sochu světla“ s vyšší intenzitou světla pro silnější osvětlení; druhá je vystavena druhému účinku vzoru.

Pokud první efekt vytvořil dokonale reprezentativní obraz vzorku, světelné vlny vytvarované druhým efektem by vstoupily do vzorku v různých fázích, prošly vzorkem a poté vyšly jako plochá vrstva světla a vytvořily kameru, aby neviděla nic jiného než tmavý obraz.

„To je zajímavé. Nějako odstraníme ukázkový obrázek. Chceme vidět téměř nic. Rušíme velké struktury, abychom viděli ty malé podrobněji, “vysvětlil Idegucci.

První efekt je ve skutečnosti nedokonalý, takže vytvarované světelné vlny vycházejí s jemnými fázovými odchylkami.

Druhý efekt detekuje fázové rozdíly malého světla, které bylo „vyplaveno“ kvůli větším rozdílům v prvním efektu. Tento fázový rozdíl zbývajícího malého světla lze měřit zvýšením citlivosti v důsledku silnějšího osvětlení použitého během druhé expozice.

Dodatečná počítačová analýza rekonstruuje výsledný obraz vzorku s dynamickým rozsahem dvou výsledků měření. Na základě koncepčních důkazů vědci odhadují, že ADRIFT-QPI produkuje sedmkrát citlivější obrazy než běžné kvantitativní fázové zobrazování.

Ideguchi říká, že skutečným přínosem ADRIFT-QPI je schopnost vidět malé částice v kontextu malé živé buňky bez potřeby jakýchkoli značek nebo skvrn.

„Lze například detekovat malé signály nanočástic, jako jsou viry nebo buňky pohybující se uvnitř i vně buňky, což jim umožňuje současně sledovat jejich chování – stav buňky,“ uvedl Idegucci.

Odkaz. „Kvantitativní porozumění řízení dynamického rozsahu ADRIFT krok za krokem“ K. Todai, M. Tamamitsu և T. Idegucci, 31. prosince 2020 Světlo. Věda և Aplikace,
DOI: 10.1038 / s41377-020-00435-z:

Financování. Japonská agentura pro vědu a technologii Aponia, Japonská společnost pro rozvoj vědy.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Kampaň NASA SnowEx kopání hluboko v roce 2021

Měření sněhu se může zdát jednoduché, ale každé prostředí představuje pro přístroje jedinečné výzvy. Například sněžení v lesích se zachytává na větvích nebo...

Agresivní tržní model vývoje energie z jaderné syntézy

Koncept ARC Fusion Pilot Plant byl vyvinut na MIT, aby demonstroval potenciál vysokoteplotních supravodivých magnetů pro nastavení hodnoty rychlosti fúzní energie և. Půjčka:...

Sekvence 64 úplných lidských genomů k zachycení lepší genetické rozmanitosti

Struktura genomu. Zápočet: NIH Sekvence 64 lidských genomů poslouží jako nový odkaz na genetické modifikace a predispozici k lidským chorobám Vědci z University of Maryland...

LSD může nabídnout udržitelnou léčbu úzkosti a jiných duševních poruch

McGill studoval krok v porozumění mechanismu vlivu psychedelik na mozek a potenciálu pro terapeutické použití. Vědci z McGill University poprvé objevili jeden z možných mechanismů,...

Nenechte si ujít příští úplněk – sníh, bouře a hladový měsíc

Uznání: NASA / Bill Dunford Příští úplněk je měsíc se sněhem, bouří a hladem; měsíc během svátků svátku Puim; festival čínských luceren; Magha Purnima a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.