Zellorganellen sind an einer Vielzahl von zellulären Lebensaktivitäten beteiligt. Ihre Dysfunktion steht in engem Zusammenhang mit der Entstehung und Metastasierung von Krebs. Die Erforschung subzellulärer Strukturen und ihrer abnormalen Zustände erleichtert Einblicke in die Mechanismen von Pathologien, was eine frühzeitige Diagnose für eine effektivere Behandlung ermöglichen kann.
Das vor mehr als 400 Jahren erfundene optische Mikroskop ist in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik zu einem unverzichtbaren und allgegenwärtigen Instrument zur Untersuchung von Objekten im Mikromaßstab geworden. Insbesondere die Fluoreszenzmikroskopie hat mehrere Sprünge gemacht – von der 2D-Weitfeld- über die 3D-Konfokal- bis hin zur superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie, die die Entwicklung der modernen Biowissenschaften stark vorangetrieben hat.
Mit herkömmlichen Mikroskopen haben Forscher derzeit Schwierigkeiten, einen ausreichenden Eigenkontrast für ungefärbte Zellen zu erzeugen, da diese nur geringe Absorption oder schwache Streueigenschaften aufweisen. Spezifische Farbstoffe oder fluoreszierende Markierungen können bei der Visualisierung helfen, aber eine langfristige Beobachtung lebender Zellen bleibt schwierig zu erreichen.
Kürzlich hat sich die quantitative Phasenbildgebung (QPI) mit ihrer einzigartigen Fähigkeit zur zerstörungsfreien Quantifizierung der Phasenverzögerung von nicht markierten Proben als vielversprechend erwiesen. Der Durchsatz einer Bildgebungsplattform ist jedoch grundsätzlich durch das Raumbandbreitenprodukt (SBP) ihres optischen Systems begrenzt, und die SBP-Erhöhung eines Mikroskops wird grundlegend durch die maßstabsabhängigen geometrischen Aberrationen seiner optischen Elemente verfälscht. Dies führt zu einem Kompromiss zwischen erreichbarer Bildauflösung und Sichtfeld (FOV).
Der Hauptautor Linpeng Lu, ein Doktorand im SCILab, bietet eine lebendige handgemalte Animation als hilfreiche Zusammenfassung des Berichts. Bildnachweis: Lu et al., doi 10.1117/1.AP.4.5.056002.
Ein Ansatz zur Erzielung einer markierungsfreien, hochauflösenden und großen FOV-mikroskopischen Bildgebung ist erforderlich, um eine präzise Erkennung und quantitative Analyse von subzellulären Merkmalen und Ereignissen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck haben Forscher der Nanjing University of Science and Technology (NJUST) und der University of Hong Kong kürzlich eine markierungsfreie Hochdurchsatz-Mikroskopiemethode entwickelt, die auf hybriden Hell-/Dunkelfeld-Beleuchtungen basiert.
Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonikerweitert der „hybride Hellfeld-Dunkelfeld-Intensitätstransport“ (HBDTI)-Ansatz für die quantitative Hochdurchsatz-Phasenmikroskopie die zugänglichen Raumfrequenzen der Probe im Fourier-Raum erheblich und erweitert die maximal erreichbare Auflösung um etwa das Fünffache über die Beugungsgrenze der kohärenten Bildgebung.
Basierend auf dem Prinzip des Beleuchtungs-Multiplexing und der synthetischen Apertur erstellen sie ein Vorwärtsabbildungsmodell des nichtlinearen Hellfeld- und Dunkelfeld-Intensitätstransports. Dieses Modell verleiht HBDTI die Fähigkeit, Merkmale jenseits der kohärenten Beugungsgrenze bereitzustellen.
Unter Verwendung eines handelsüblichen Mikroskops mit einem 4-fachen Objektiv mit 0,16 NA demonstrierte das Team HBDTI-Bildgebung mit hohem Durchsatz und erreichte eine Bildauflösung von 488 nm bei halber Breite innerhalb eines FOV von etwa 7,19 mm2, was zu einer 25-fachen Erhöhung des SBP gegenüber dem Fall von führte kohärente Beleuchtung.
Die nichtinvasive Hochdurchsatz-Bildgebung ermöglicht die Abgrenzung subzellulärer Strukturen in groß angelegten Zellstudien. Laut dem korrespondierenden Autor Chao Zuo, Hauptforscher des Smart Computational Imaging Laboratory (SCILab) am NJUST, „bietet HBDTI ein einfaches, leistungsstarkes, kostengünstiges und universelles Bildgebungswerkzeug für die quantitative Analyse in den Biowissenschaften und der biomedizinischen Forschung. Gegeben Aufgrund seiner Fähigkeit für Hochdurchsatz-QPI wird HBDTI voraussichtlich eine leistungsstarke Lösung für die skalenübergreifende Erkennung und Analyse subzellulärer Strukturen in einer großen Anzahl von Zellclustern bieten.“
Zuo merkt an, dass weitere Anstrengungen erforderlich sind, um die Hochgeschwindigkeitsimplementierung von HBDTI in der Analyse von Lebendzellen in großen Gruppen zu fördern.
Mehr Informationen:
Linpeng Lu et al, Hybrid-Hellfeld- und Dunkelfeld-Intensitätstransportansatz für die quantitative Phasenmikroskopie mit hohem Durchsatz, Fortgeschrittene Photonik (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.5.056002