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显微镜方法以七倍的灵敏度观察活细胞

发布:WD114EVA    |    2021-01-05 20:53    阅读:567
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显微镜方法以七倍的灵敏度观察活细胞

东京大学的研究人员开发出一种方法,这种方法利用现有的显微镜技术来增强他们认识活细胞内部信息的细节和类型。他们的方法不需要染色或荧光染料。为了有效地对单个细胞进行成像,显微镜相机必须检测穿过细胞部分的光束细微差异,这些细胞本身几乎是半透明的。然后利用这些差异表示光的相位。图像传感器被其可检测到的光相位所限制。这称为动态范围。东京大学光子科技研究所副教授Takuro Ideguchi说:"要使用同一种图像传感器看到更多的细节,我们必须扩大动态范围,以便检测出较小的光相位变化。

ADRIFT-QPI 技术显示了穿过细胞(中间)和离开(底部)的雕刻光(绿色、顶部)脉冲,其中可以对光波的变化进行分析并转换为更详细的图像。s-graphics.co.jp, CC BY-NC-ND供图。

这种方法主要考虑两种曝光技术,分别测量光灵敏度大的变化以及小的变化。研究人员然后将图像组合在一起以创建高度详细的最终图像。整个过程称为自适应动态范围移位的定量相位成像 (ADRIFT-QPI)。Ideguchi说:"我们的 ADRIFT-QPI 方法不需要特殊的激光,也不需要特殊的显微镜或图像传感器;我们可以使用活细胞,我们不需要任何染色剂或荧光剂,光毒性的可能性很小。"

定量相位成像将一束偏平的光脉冲平均向细胞分配,然后测量光波穿过细胞后的相位改变。然后计算机分析和重建细胞的主要内部结构的捕捉图像。定量相位成像使研究人员能够对独特的细胞进行详细的测量,例如基于光波变化的细胞生长测量。然而,该技术定量测量的灵敏度较低,与图像传感器的低饱和度一样。因此,使用传统方法无法跟踪细胞内和周围的纳米颗粒。ADRIFT-QPI的方法克服了传统定量相位成像所呈现的动态范围限制。两种曝光相结合产生的最终图像比传统的定量相位显微镜图像灵敏度高了7倍。

使用传统定量相位成像的标准图像(顶部)和使用东京大学研究小组开发的新 ADRIFT-QPI 显微镜方法产生的更清晰的图像(底部)。左边的照片是光学相位成像,右边的照片显示光相位的变化。其相位的变化是由于中红外(分子的特异性)光通过蛋白质被吸收。蓝色箭头指向原子核的边缘,白色箭头指向原子核(原子核内的亚结构),绿色箭头指向其它大的颗粒。Toda等人供图。

第一次曝光使用传统的定量相位成像,其中扁平的光脉冲照向样品,光的相位变化在通过样品后被测量。计算机成像分析程序然后根据第一次曝光来冲洗样本图像,然后快速设计一个与样本图像镜像的波前光。一个分立的组件,一个波前成形器件,最终生成一束具有高强度的波前光以更强的照明,并朝样品脉冲发射进行后续的曝光操作。如果第一次曝光产生完全准确的样品图像,则第二次曝光的雕刻光波会在不同的相位进入样品,穿过样品,然后以平面扁平光的形式出现。它会导致相机只"看到"一个深色图像。

Ideguchi说, "这是一件有趣的事情:这有点类似于擦除样本的图像。我们几乎什么也不想看见。于是我们删去了大的图像结构,以便我们能看到较小的结构的大量细节部分。"

由于第一次曝光是不完美的,雕刻的光波会出现微小的相位偏差。第二次曝光显示由于在第一次曝光时产生了较大的偏差,微小光相位差被冲刷掉。由于在第二次曝光时使用了更强的照明,研究人员可以通过提高灵敏度来测量这些微小的差异。一项额外的计算机分析通过两个测量结果重建了扩展的动态范围的最终图像。在概念验证的演示中,研究人员估计由ADRIFT-QPI产生的图像比传统的定量相位成像灵敏度提高了7倍。

根据Ideguchi的说法,这项新技术的最大好处是能够在活细胞中看到微小的颗粒,而无需标签或染色处理。他说:"例如,我们可以检测到来自纳米级颗粒(如病毒或在细胞内外移动的颗粒)的小信号,从而可以同时观察它们的行为和细胞的状态。"

这项研究成果发表在《Light: Science & Applications》上。(www.doi.org/10.1038/s41377-020-00435-z).

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