Forscher haben einen neuen Algorithmus zur Wiederherstellung der 3D-Brechungsindexverteilung biologischer Proben entwickelt, die mehrere Arten von Lichtstreuung aufweisen. Der Algorithmus hilft bei der Optimierung eines neuen bildgebenden Ansatzes namens Intensitätsbeugungstomographie (IDT).
Jiabei Zhu von der Boston University wird diese Forschung auf der präsentieren Optica Imaging Kongress. Das Hybridtreffen findet vom 14. bis 17. August 2023 in Boston, Massachusetts, statt.
„Die quantitative 3D-Phasenbildgebung (QPI) verfügt über hervorragende Eigenschaften für verschiedene Anwendungen im Bereich der biomedizinischen Bildgebung. Als markierungsfreie Technik kann QPI transparente lebende Organismen und Zellen ohne exogene Kontrastmittel und Farbstoffe abbilden, die phototoxische Effekte hervorrufen, die die Probe schädigen. “ erklärt Zhu.
„Im Vergleich zur herkömmlichen Phasenkontrast- und Differential-Interferenzkontrast-Mikroskopie liefert QPI nicht nur kontrastreiche morphologische Informationen, sondern auch quantitative Phaseninformationen. Insbesondere kann 3D-QPI eine hochauflösende 3D-Brechungsindexverteilung (RI) innerhalb der Proben liefern.“ Diese wertvollen Informationen können die Forschung in den Bereichen Hämatologie, Neurologie und Immunologie erleichtern und bei der Diagnose von Krankheiten und Infektionen helfen.“
Obwohl 3D-Bildgebungstechniken zur Untersuchung dicker biologischer Proben eingesetzt werden können, ist es eine Herausforderung, sowohl eine schnelle Erfassung als auch eine hohe Auflösung zu erreichen. IDT-Ansätze sind markierungsfreie Phasentomographietechniken, die helfen, diese Einschränkung zu überwinden. Sie können mit einem programmierbaren LED-Array durchgeführt werden, das problemlos an ein Standardmikroskop angeschlossen werden kann.
Zhus Forschungsteam hat kürzlich zwei IDT-Methoden entwickelt, die als ringförmige IDT (aIDT) und Multiplex-IDT (mIDT) bekannt sind und die Bildaufnahmegeschwindigkeit ausreichend erhöhen, um dynamische biologische Proben sichtbar zu machen. Annular IDT (aIDT) verwendet einen LED-Ring, der zur numerischen Apertur des Objektivs passt, und Multiplexed IDT (mIDT) verwendet mehrere LEDs, um die Probe gleichzeitig zu beleuchten.
Als die Forscher herausfanden, dass bestehende IDT-Rekonstruktionsalgorithmen aufgrund der Verwendung von High-NA-Zielen nicht gut mit ihren neuen Ansätzen funktionierten, beschlossen sie, einen neuen Algorithmus zu entwickeln. Es verwendet ein Mehrfachstreuungsmodell, das auf der Split-Step Non-Paraxial (SSNP)-Methode basiert, die kürzlich entwickelt wurde, um ähnliche Einschränkungen in der optischen Beugungstomographie zu überwinden.
Die Forscher zeigten, dass die Anwendung des neuen IDT-Rekonstruktionsalgorithmus auf bukkale Epithelzellen mithilfe von aIDT eine einfache Unterscheidung von Zellen in unterschiedlichen Tiefen, die Rekonstruktion der Zellgrenzen und der Membran sowie die Visualisierung nativer Bakterien um die Zellen herum ermöglichte.
Sie wandten es auch mittels mIDT auf einen dicken, mehrfach streuenden lebenden C. elegans-Embryo an. Die resultierenden rekonstruierten Bilder zeigten Einzelheiten darüber, wie die Würmer gefaltet waren, und der Einzeltiefenquerschnitt zeigte die morphologischen Details der Zellumrisse, der Mundhöhle und des Schwanzes des Wurms.
Insgesamt zeigten die Experimente, dass die Forscher durch die Erweiterung der SSNP-Methode auf IDT qualitativ hochwertige Bilder mit einem großen Sichtfeld erzielen konnten.