Lihat Bagian Dalam Sel Hidup dengan Detail Detail Menggunakan Teknik Mikroskopi Baru

Para peneliti di Universitas Tokyo telah menemukan cara untuk meningkatkan kepekaan gambar fase kuantitatif yang ada sehingga semua struktur dalam sel hidup dapat dilihat secara bersamaan, dari partikel kecil hingga struktur besar. Representasi artistik dari teknik ini menunjukkan pulsa cahaya terpahat (hijau, atas) berjalan melalui sel (tengah), dan keluar (bawah) di mana perubahan gelombang cahaya dapat dianalisis dan diubah menjadi gambar yang lebih detail. . Kredit: s-graphics.co.jp, CC BY-NC-ND

Mengupgrade ke pencitraan fase kuantitatif dapat meningkatkan kejernihan gambar dengan meningkatkan rentang dinamis.

Para ahli fisika optik telah mengembangkan cara baru untuk melihat bagian dalam sel hidup secara lebih detail menggunakan teknologi mikroskop yang ada dan tanpa perlu menambahkan pewarna atau pewarna fluoresen.

Karena setiap sel hampir tembus cahaya, kamera mikroskopis harus mendeteksi perbedaan yang sangat halus dalam cahaya yang melewati bagian-bagian sel. Perbedaan ini dikenal sebagai fase cahaya. Sensor gambar kamera dibatasi oleh jumlah perbedaan fase cahaya yang dapat dideteksi, yang disebut rentang dinamis.

“Untuk melihat detail yang lebih besar dengan sensor gambar yang sama, kami perlu memperluas rentang dinamis sehingga kami dapat mendeteksi perubahan fase cahaya yang lebih kecil,” kata Associate Professor Takuro Ideguchi dari Institut Sains dan Teknologi Universitas Tokyo. Teknologi Foton.

Tim peneliti mengembangkan teknik untuk mengambil dua eksposur untuk mengukur perubahan besar dan kecil dalam fase cahaya secara terpisah dan kemudian menghubungkannya dengan mulus untuk membuat gambar akhir yang sangat detail. Mereka menyebut metode adaptasi dinamis pencitraan fase kuantitatif (ADRIFT-QPI) dan baru-baru ini mempublikasikan hasilnya di Cahaya: Sains dan Aplikasi.

Ekspansi Dynamic Range dari ADRIFT QPI

Gambar manik-manik silika diambil menggunakan pencitraan fase kuantitatif konvensional (di atas) dan gambar yang lebih jelas dihasilkan dengan metode mikroskop ADRIFT-QPI baru (di bawah) yang dikembangkan oleh tim peneliti di Universitas Tokyo. Gambar di sebelah kiri adalah gambar fasa optik dan gambar di sebelah kanan menunjukkan perubahan fasa optik karena penyerapan cahaya infra merah medium (kekhususan molekul) oleh butiran silika. Dalam demonstrasi pembuktian konsep ini, para peneliti menghitung bahwa mereka memperoleh sensitivitas sekitar 7 kali lebih besar dari ADRIFT-QPI daripada dari QPI konvensional. Kredit: Gambar oleh Toda et al., CC-BY 4.0

“Metode ADRIFT-QPI kami tidak memerlukan laser tertentu, mikroskop khusus, atau sensor gambar; kita dapat menggunakan sel-sel hidup, kita tidak membutuhkan noda atau fluoresensi, dan kecil kemungkinan terjadinya fototoksisitas, ”kata Ideguchi.

Fototoksisitas mengacu pada pembunuhan sel dengan cahaya, yang dapat menjadi masalah dengan beberapa teknik pencitraan lain, seperti fluoresensi.

Pencitraan fase kuantitatif mengirimkan pulsa lembaran cahaya datar ke arah sel, kemudian mengukur pergeseran fase gelombang cahaya saat mereka melewati sel. Analisis komputer kemudian merekonstruksi gambar struktur utama dalam sel. Ideguchi dan kolaboratornya memelopori metode lain untuk meningkatkan mikroskop fase kuantitatif.

Pencitraan fase kuantitatif adalah alat yang ampuh untuk memeriksa sel-sel individu karena memungkinkan peneliti untuk membuat pengukuran rinci, seperti melacak tingkat pertumbuhan sel berdasarkan perubahan gelombang cahaya. Namun, aspek kuantitatif dari teknik ini memiliki sedikit sensitivitas karena rendahnya kapasitas saturasi sensor gambar, sehingga pelacakan partikel berukuran nano di dalam dan sekitar sel tidak dimungkinkan dengan pendekatan konvensional.

ADRIFT QPI Live COS7 Cell

Gambar standar (atas) diambil dengan pencitraan fase kuantitatif konvensional dan gambar yang lebih jelas (bawah) dihasilkan dengan metode mikroskop ADRIFT-QPI baru yang dikembangkan oleh tim peneliti di Universitas Tokyo. Gambar di sebelah kiri adalah gambar fase optik dan gambar di sebelah kanan menunjukkan perubahan fase optik karena penyerapan cahaya inframerah menengah (kekhususan molekul) terutama oleh protein. Panah biru mengarah ke tepi inti, panah putih mengarah ke nukleolus (substruktur di dalam nukleus), dan panah hijau mengarah ke partikel lain yang lebih besar. Kredit: Gambar oleh Toda et al., CC-BY 4.0

Metode ADRIFT-QPI baru telah mengatasi batasan rentang dinamis pencitraan fase kuantitatif. Selama ADRIFT-QPI, kamera mengambil dua eksposur dan menghasilkan gambar akhir yang memiliki sensitivitas tujuh kali lebih besar daripada gambar mikroskop fase kuantitatif tradisional.

Eksposur pertama dihasilkan dengan pencitraan fase kuantitatif konvensional – lembaran cahaya datar digerakkan ke arah sampel dan perubahan fase cahaya diukur saat melewati sampel. Program analisis gambar komputer mengembangkan gambar sampel berdasarkan eksposur pertama kemudian dengan cepat merancang muka gelombang cahaya terpahat yang memantulkan gambar sampel tersebut. Komponen terpisah yang disebut perlengkapan lampu depan gelombang kemudian menghasilkan “patung cahaya” ini dengan cahaya intensitas yang lebih tinggi untuk pencahayaan yang lebih kuat dan mendorongnya ke sampel untuk eksposur kedua.

Jika eksposur pertama menghasilkan gambar yang merupakan representasi sempurna dari sampel, gelombang cahaya kustom dari eksposur kedua akan memasuki sampel dalam fase yang berbeda, melewati sampel, kemudian muncul sebagai lembaran cahaya datar, menyebabkan kamera tidak melihat apa-apa selain gambar gelap.

“Ini menarik: Kami menghapus sedikit gambar sampel. Kami tidak ingin melihat hampir semua hal. Kami menghapus struktur besar sehingga kami dapat melihat yang lebih kecil dengan sangat detail,” jelas Ideguchi.

Faktanya, eksposur pertama tidak sempurna, sehingga gelombang cahaya terpahat muncul dengan deviasi fase yang halus.

Eksposur kedua menunjukkan perbedaan kecil dalam fase cahaya yang “terhanyut” oleh perbedaan yang lebih besar pada eksposur pertama. Perbedaan fase cahaya kecil yang tersisa ini dapat diukur dengan sensitivitas yang ditingkatkan karena pencahayaan yang lebih kuat yang digunakan dalam eksposur kedua.

Analisis komputer lebih lanjut merekonstruksi gambar sampel akhir dengan rentang dinamis yang diperluas dari dua hasil pengukuran. Dalam demonstrasi bukti konsep, para peneliti menemukan bahwa ADRIFT-QPI menghasilkan gambar dengan sensitivitas tujuh kali lebih besar daripada pencitraan fase kuantitatif konvensional.

Ideguchi mengatakan manfaat nyata dari ADRIFT-QPI adalah kemampuannya untuk melihat partikel-partikel kecil dalam konteks seluruh sel hidup tanpa perlu label atau noda.

“Misalnya, sinyal kecil dari partikel berskala nano seperti virus atau partikel yang masuk dan keluar dari sel dapat dideteksi, memungkinkan pengamatan simultan terhadap perilaku dan status sel,” katanya. kata Ideguchi.

Referensi: “Pencitraan fase kuantitatif Adaptive Dynamic Range Shift (ADRIFT)” oleh K. Toda, M. Tamamitsu dan T. Ideguchi, 31 Desember 2020, Cahaya: Sains dan Aplikasi.
DOI: 10.1038 / s41377-020-00435-z

Pendanaan: Badan Sains dan Teknologi Jepang, Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skrining sinar-X mengidentifikasi obat yang menjanjikan untuk pengobatan COVID-19

Sebuah tim peneliti, termasuk ilmuwan MPSD, telah mengidentifikasi beberapa kandidat untuk melawan obat tersebut SARS-CoV-2 coronavirus menggunakan sumber cahaya sinar-X PETRA III di German...

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.