Holotomografiya - Holotomography

Holotomografiya (HT) uch o'lchovli o'lchov uchun lazer texnikasi sinish ko'rsatkichi (RI) biologik hujayralar va to'qimalar kabi mikroskopik namunaning tomogrammasi. RI shaffof yoki fazali ob'ektlar uchun ichki ko'rish kontrasti bo'lib xizmat qilishi mumkinligi sababli, RI tomogrammalarining o'lchovlari mikroskopik faza ob'ektlarini yorliqsiz miqdoriy tasvirini ta'minlashi mumkin. Namunalarning 3-D RI tomogrammasini o'lchash uchun HT golografik tasvirlash va teskari tarqalish printsipidan foydalanadi. Odatda interferometrik tasvirlash printsipidan foydalangan holda namunaning bir nechta 2 o'lchovli golografik tasvirlari har xil yoritish burchaklarida o'lchanadi. So'ngra namunadagi 3D RI tomogrammasi namunadagi yorug'lik tarqalishini teskari echish yo'li bilan ushbu 2D golografik tasvirlardan qayta tiklanadi.

Tarix

Birinchi nazariy taklifni Emil Wolf taqdim etdi,[1] va birinchi eksperimental namoyish Fercher va boshq.[2] 2000-yillardan boshlab HT texnikasi biologik va tibbiyot sohalarida, shu jumladan, MIT spektroskopiya laboratoriyasi tomonidan bir qator tadqiqot guruhlari tomonidan keng o'rganilib, qo'llanildi. HTning texnik ishlanmalari ham, dasturlari ham ancha rivojlangan. 2012 yilda birinchi tijorat HT kompaniyasi Nanolive[3] tashkil etilgan, keyinchalik 2014 yilda Tomocube tomonidan ta'qib qilingan.

Printsiplar

HT printsipi rentgen kompyuter tomografiyasiga (KT) juda o'xshaydi KTni tekshirish. KT tekshiruvi inson tanasining turli xil nurlanish burchaklaridagi bir nechta 2-o'lchovli rentgen tasvirlarini o'lchaydi va keyinchalik teskari tarqalish nazariyasi orqali 3 o'lchovli tomogramma (rentgen nurlarini yutish qobiliyati) olinadi. Har ikkala rentgen KT va lazer HT bir xil boshqaruvchi tenglamaga ega - Gelmgolts tenglamasi, to'lqin tengligi monoxromatik to'lqin uzunligi uchun n. XT optik difraksion tomografiya deb ham ataladi.[4]

Afzalliklar va cheklovlar

HT odatdagi 3D mikroskopik usullaridan quyidagi afzalliklarni beradi.

  1. Yorliqsiz: Uyali membranani va hujayradan tashqaridagi organoidlarni ekzogen etiketlash vositalarini ishlatmasdan aniq tasvirlash mumkin. Shunday qilib, fototoksiklik, fotosuratlar va fotodamaging masalalari mavjud emas.
  2. Miqdoriy ko'rish qobiliyati: HT to'g'ridan-to'g'ri hujayralarning 3D RI xaritalarini o'lchaydi, bu materiallarning ichki optik xususiyatlari. O'lchangan RI hujayraning massa zichligiga aylantirilishi mumkinligi va shu ma'lumotlar yordamida hujayraning massasini ham olish mumkin.
  3. Aniq va tezkor o'lchovlar: HT ishlatilgan ob'ektiv linzalarning sonli teshiklariga va tasvir sensori tezligiga qarab, fazoviy aniqlikni taxminan 100 nmgacha va vaqtincha bir soniyada bir necha yuzdan kvadratgacha aniqlikni ta'minlaydi.

Biroq, 3D RI tomografiyasi molekulyar o'ziga xoslikni ta'minlamaydi. Odatda, o'lchangan RI ma'lumoti to'g'ridan-to'g'ri molekulalar yoki oqsillar haqidagi ma'lumotlar bilan bog'liq bo'lishi mumkin emas, faqat oltin nanopartiyalar kabi muhim holatlar bundan mustasno.[5] yoki lipid tomchilari[6] hujayra sitoplazmasiga nisbatan aniq yuqori RI qiymatlarini namoyish etadi.

Ilovalar

HT dasturlariga quyidagilar kiradi[7]

Tirik hujayraning 3D RI tomogrammasi (makrofag)

Hujayra biologiyasi

HT tirik hujayralar va ingichka to'qimalarning 3D dinamik suratlarini lyuminestsentsiya oqsillari yoki bo'yoqlari kabi ekzogen etiketlovchi vositalardan foydalanmasdan ta'minlaydi. HT hujayralarni miqdoriy jonli tasvirlash imkoniyatini beradi, shuningdek hujayra hajmi, yuzasi, oqsil konsentratsiyasi kabi miqdoriy ma'lumotlarni beradi. Xromosomalarning yorliqsiz tasviri va miqdori aniqlandi.[8] Hujayralardagi autofagiya bilan proteazomaning parchalanishining regulyativ yo'li HT yordamida tadqiqotlar edi.[9]

Korrelyatsion tasvirlash

HTni korrelyatsion ko'rish uchun boshqa ko'rish usullari bilan ishlatish mumkin. Masalan, HT va lyuminestsentsiya tasvirining kombinatsiyasi sinergetik analitik yondashuvni ta'minlaydi.[10][11] HT strukturaviy ma'lumot beradi, lyuminestsentsiya signali esa PET / CT ga o'xshash optik molekulyar tasvirni beradi. HT-dan foydalangan holda korrelyatsion ko'rish yondashuvlari uchun turli xil yondashuvlar bildirilgan.

Lipit miqdorini aniqlash

Hujayra ichidagi lipid tomchilari energiya to'plash va metabolizmda muhim rol o'ynaydi, shuningdek, turli xil patologiyalar, jumladan saraton, semirish va diabet mellitus bilan bog'liq. HT bepul yoki hujayra ichidagi lipid tomchilari uchun yorliqsiz va miqdoriy tasvirlash va tahlil qilishga imkon beradi. Lipit tomchilari aniq yuqori RI ga ega bo'lgani uchun (n > 1.375) sitoplazmaning boshqa qismlari bilan taqqoslaganda, RI tomogrammalarining o'lchovlari lipid tomchilarining hajmi, kontsentratsiyasi va quruq massasi to'g'risida ma'lumot beradi.[12] Yaqinda HT ko'pikli hujayralardagi lipid tomchilarini o'lchash orqali lobeglitazonning maqsadli etkazib berilishiga ta'sir qilish uchun mo'ljallangan nanodrugning terapevtik ta'sirini baholash uchun ishlatilgan.[13]

Eksperimental laboratoriya

HT turli xil miqdoriy ko'rish qobiliyatini ta'minlaydi, bu hujayralar morfologik, biokimyoviy va mexanik xususiyatlarini ta'minlaydi. 3D RI tomografiyasi to'g'ridan-to'g'ri morfologik xususiyatlarni, shu jumladan hajm, sirt maydoni va sharsimonlik hujayraning (yumaloqligi). Mahalliy RI qiymatini biokimyoviy ma'lumot yoki sitoplazmik oqsil kontsentratsiyasiga o'tkazish mumkin, chunki eritmaning RI uning konsentratsiyasiga mutanosib ravishda mutanosibdir.[14] Xususan, uchun qizil qon hujayralari, RI qiymati gemoglobin kontsentratsiyasiga aylanishi mumkin. HT asbobida ham olinishi mumkin bo'lgan hujayra membranasining dinamik o'zgarishini o'lchash, hujayraning deformatsiyasi haqida ma'lumot beradi. Bundan tashqari, ushbu turli xil miqdoriy parametrlarni bitta hujayra darajasida olish mumkin, bu esa turli xil uyali parametrlar o'rtasida korrelyatsion tahlilni o'tkazishga imkon beradi. HT qizil qon hujayralarini o'rganish uchun ishlatilgan,[15] oq qon hujayralari,[16] qonni saqlash,[17] va diabet.[18]

Yuqumli kasalliklar

Har xil yuqumli kasalliklarni o'rganish uchun HT ning yorliqsiz tasvirlash qobiliyatidan foydalanilgan. Xususan, parazitlar bilan xujayrali hujayralarni HT yordamida samarali tasvirlash va o'rganish mumkin. Parazitlarni bo'yash yoki markalash murakkab tayyorgarlik jarayonini talab qilishi bilan bog'liq va binoni / markalash bir nechta parazitlarda unchalik samarali emas. Istilosi plazmodium falciparum, yoki parazitlarni keltirib chiqaradigan bezgak, eritrotsitlar individual ravishda HT yordamida o'lchandi.[19] Xost hujayralari va parazitlarning tarkibiy va biofizik o'zgarishi muntazam ravishda tahlil qilindi. Babeziya parazitlarining qizil qon hujayralariga kirib borishi ham o'rganildi.[20] Toxoplasma gondii, toksoplazmozni keltirib chiqaradigan apikomplexan paraziti, yadro hujayralariga zarar etkazishi mumkin. Ning 3D morfologiyasi va biofizik xususiyatlarining o'zgarishi T gondii yuqtirilgan hujayralar HT yordamida o'rganilgan.[21]

Biotexnologiya

Ayrim bakteriyalar yoki mikro yosunlarning hujayra hajmi va quruq massasini HT yordamida samarali miqdoriy aniqlash mumkin.[22] Bu aniq miqdoriy qiymatlarni taqdim etishda binoni jarayonini talab qilmasligi sababli, HT tuzilgan bo'yoqlarning samaradorligini sinash uchun ishlatilishi mumkin.

Ilmiy hamjamiyat

Quyidagilar HT bo'yicha faol ilmiy konferentsiyalar bo'lib, bu miqdoriy fazali tasvirlash texnikasining bir qismi sifatida.

HT texnikasi va ilovalari quyidagi ilmiy jurnallarning maxsus sonlariga kiritilgan

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ Bo'ri, Emil (1969). "Golografik ma'lumotlardan yarim shaffof ob'ektlarni uch o'lchovli tuzilishini aniqlash". Optik aloqa. 1 (4): 153–156. Bibcode:1969OptCo ... 1..153W. doi:10.1016/0030-4018(69)90052-2.
  2. ^ Ferher, A.F.; Bartelt, H .; Beker, X.; Wiltschko, E. (1979). "Tarqoq ma'lumotlarning teskari yo'nalishi bo'yicha tasvirni shakllantirish: tajribalar va hisoblash simulyatsiyasi". Amaliy optika. 18 (14): 2427–39. Bibcode:1979ApOpt..18.2427F. doi:10.1364 / AO.18.002427. PMID  20212679.
  3. ^ "Uy". nanolive.ch. Olingan 2020-08-26.
  4. ^ Lauer, V (2002). "Difraksiyali tomografiya va yangi tomografik mikroskopning vektorli tenglamasini keltirib chiqaradigan optik difraksion tomografiyaga yangi yondashuv". Mikroskopiya jurnali. 205 (2): 165–176. doi:10.1046 / j.0022-2720.2001.00980.x. PMID  11879431.
  5. ^ Kim, Doyeon (2016). "Optik difraksion tomografiya yordamida tirik hujayralar ichidagi oltin nanopartikullarni yorliqsiz yuqori aniqlikdagi 3 o'lchovli tasvirlash". bioRxiv  10.1101/097113.
  6. ^ Kim, Kyoohyun (2016). "Uch o'lchovli yorliqsiz tasvirlash va jonli gepatotsitlarda lipid tomchilari miqdorini aniqlash". Ilmiy ma'ruzalar. 6: 36815. arXiv:1611.01774. Bibcode:2016 yil NatSR ... 636815K. doi:10.1038 / srep36815. PMC  5118789. PMID  27874018.
  7. ^ Park, YongKeun (2018). "Biomeditsinada fazaviy tasvirlash". Tabiat fotonikasi. 12 (10): 578–589. Bibcode:2018NaPho..12..578P. doi:10.1038 / s41566-018-0253-x. PMID  26648557. S2CID  126144855.
  8. ^ Kim, Seul (2020). "PRMT6 vositachiligidagi H3R2me2a Aurora B ni xromosomalarni to'g'ri ajratish uchun xromosoma qo'llariga yo'naltiradi". Tabiat aloqalari. 11 (1): 612. doi:10.1038 / s41467-020-14511-w. PMC  6992762. PMID  32001712.
  9. ^ Choi, Von Xun. "Tormozlangan proteazomalarning sutemizuvchilarning proteafagiyasi paytida agresomal sekestratsiya va STUB1 vositachiligida hamma joyda ekvilizatsiya". PNAS.
  10. ^ Kim, Y. S .; Li, S .; Jung, J .; Shin, S .; Choi, H. G.; Cha, G. X .; Park, V.; Li, S .; Park, Y. (2018). "Hujayra patofiziologiyasini o'rganish uchun uch o'lchovli miqdoriy fazani tasvirlash va floresans mikroskopiyasini birlashtirish". Yel J Biol Med. 91 (3): 267–277. PMC  6153632. PMID  30258314.
  11. ^ Lambert, Obri (2020). "Holotomografiya va floresans bilan jonli hujayra tasvirlash". Bugungi kunda mikroskopiya. 28: 18–23. doi:10.1017 / S1551929519001032.
  12. ^ Kim, Kyoohyun; Li, Seun; Yun, Joni; Xeo, Jixan; Choi, Chulxi; Park, Yongkeun (2016). "Uch o'lchovli yorliqsiz tasvirlash va jonli gepatotsitlarda lipid tomchilari miqdorini aniqlash". Ilmiy ma'ruzalar. 6: 36815. arXiv:1611.01774. Bibcode:2016 yil NatSR ... 636815K. doi:10.1038 / srep36815. PMC  5118789. PMID  27874018.
  13. ^ Park, Sangvu; Ahn, Jae Von; Jo, Youngju; Kang, Xa-Yang; Kim, Xyon Jung; Cheon, Yeongmi; Kim, Jin Von; Park, Yongkeun; Li, Seongsoo; Park, Kyonson (2020). "Maqsadli Nanodrujlarni mashina yordamida o'rganish yordamida terapevtik baholash uchun ko'pikli hujayralardagi lipid tomchilarini yorliqsiz tomografik tasvirlash". ACS Nano. 14 (2): 1856–1865. doi:10.1021 / acsnano.9b07993. PMID  31909985.
  14. ^ Baber, R. (1952). "Interferentsiya mikroskopi va massani aniqlash". Tabiat. 169 (4296): 366–7. Bibcode:1952 yil natur.169..366B. doi:10.1038 / 169366b0. PMID  14919571. S2CID  4188525.
  15. ^ Park, YongKeun (2010). "Morfologik o'zgarishlar paytida qizil qon hujayralari mexanikasini o'lchash". PNAS. 107 (15): 6731–6. Bibcode:2010PNAS..107.6731P. doi:10.1073 / pnas.0909533107. PMC  2872375. PMID  20351261.
  16. ^ Yoon, Jonghee (2015). "3D sindirish ko'rsatkichlari xaritalarini o'lchash orqali oq qon hujayralarini yorliqsiz tavsifi". Biomedical Optics Express. 6 (10): 3865–75. arXiv:1505.02609. Bibcode:2015arXiv150502609Y. doi:10.1364 / BOE.6.003865. PMC  4605046. PMID  26504637.
  17. ^ Park, Hyunjoo (2016). "Miqdoriy fazali tasvir yordamida qon zahirasi bo'yicha hujayralar yuzasi va individual eritrotsitlarning deformatsiyalanishini o'lchash". Ilmiy ma'ruzalar. 6: 34257. Bibcode:2016 yil NatSR ... 634257P. doi:10.1038 / srep34257. PMC  5048416. PMID  27698484.
  18. ^ Li, SangYun (2017). "Qandli diabet bilan og'rigan bemorlarning refraktsion indeksli tomogrammalari va qizil qon hujayralarining dinamik membrana tebranishlari". Ilmiy ma'ruzalar. 7 (1): 1039. Bibcode:2017 yil NatSR ... 7.1039L. doi:10.1038 / s41598-017-01036-4. PMC  5430658. PMID  28432323.
  19. ^ Park, YongKeun (2008). "Plazmodium falciparum tomonidan parazitlangan odamning qizil qon hujayralarining sinishi ko'rsatkichlari va membrana dinamikasi". PNAS. 105 (37): 13730–13735. Bibcode:2008 yil PNAS..10513730P. doi:10.1073 / pnas.0806100105. PMC  2529332. PMID  18772382.
  20. ^ HyunJoo, Park (2015). "3-o'lchovli golografik mikroskop yordamida Babesia mikroti parazit qilgan sichqonchaning alohida eritrotsitlarining xarakteristikalari". Ilmiy ma'ruzalar. 5: 10827. arXiv:1505.00832. Bibcode:2015 yil NatSR ... 510827P. doi:10.1038 / srep10827. PMC  4650620. PMID  26039793.
  21. ^ Firdaus, Egy Rahmon; Park, Ji ‐ Xun; Li, Seong ‐ Kyun; Park, Yongkeun; Cha, Guang-Xo; Xan, Yun Taek (2020). "Uch o'lchovli miqdoriy fazani tasvirlash yordamida bitta takizoid va uning zararlangan hujayralaridagi 3D morfologik va biofizik o'zgarishlar". Biofotonika jurnali. 13 (8): e202000055. doi:10.1002 / jbio.202000055. PMID  32441392.
  22. ^ "Mannheimiya tomonidan optimal malat dehidrogenaza ishlatadigan sukkinik kislota ishlab chiqarishni kuchaytirish". Tabiat aloqalari.