使用新的显微镜技术更详细地了解活细胞内部

东京大学的研究人员找到了一种增强现有定量相位成像灵敏度的方法，从而可以同时看到活细胞内部的所有结构，从微小的颗粒到大的结构。该技术的这种艺术表现形式显示，雕刻的光脉冲（绿色，顶部）穿过一个单元（中心），然后穿过（底部），在那里可以分析光波的变化并将其转换为更详细的图像。

升级到定量相位成像可以通过扩大动态范围来提高图像清晰度。

光学物理学专家已经开发出一种新方法，可以使用现有的显微镜技术更详细地观察活细胞内部，而无需添加染色剂或荧光染料。

由于单个细胞几乎是半透明的，因此显微镜相机必须检测穿过细胞部分的光中的细微差别。这些差异被称为光的相位。相机图像传感器受它们可以检测到的光相位差量（称为动态范围）的限制。

东京大学光子科学技术研究所副教授Ideguchi教授说：“要使用相同的图像传感器查看更多细节，我们必须扩大动态范围，以便能够检测出较小的光相位变化。”

研究小组开发了一种技术，可以进行两次曝光以分别测量光相位的大和小变化，然后无缝地将它们连接起来以创建非常详细的最终图像。他们将他们的方法命名为自适应动态范围位移定量相位成像（ADRIFT-QPI），最近在Light中发表了他们的结果：科学与应用。

东京大学研究小组开发的使用常规定量相成像拍摄的硅珠图像（上图）和使用新的ADRIFT-QPI显微镜方法拍摄的更清晰图像（下图）。左边的照片是光学相的图像，右边的图像显示了由于二氧化硅珠吸收的中红外（分子特异性）光而引起的光学相变化。在此概念验证演示中，研究人员计算得出，ADRIFT-QPI的灵敏度比传统QPI的灵敏度高约7倍。

“我们的ADRIFT-QPI方法不需要特殊的激光，特殊的显微镜或图像传感器；我们可以使用活细胞，不需要任何染色剂或荧光剂，而且光毒性的可能性很小。” Ideguchi说。

光毒性是指用光杀死细胞，这对于某些其他成像技术（例如荧光成像）可能会成为问题。

定量相位成像将一束平坦的光脉冲发送到细胞，然后测量光波穿过细胞后的相移。然后，计算机分析将重建单元内部主要结构的图像。Ideguchi和他的合作者先前率先采用其他方法来增强定量相显微镜。

定量相位成像是检查个体细胞的有力工具，因为它使研究人员能够进行详细的测量，例如根据光波的变化跟踪细胞的生长速率。但是，由于图像传感器的饱和容量低，该技术的定量方面具有较低的灵敏度，因此使用常规方法无法跟踪细胞内和细胞周围的纳米级颗粒。

东京大学研究小组开发的使用常规定量相位成像拍摄的标准图像（上图）和使用新型ADRIFT-QPI显微镜方法生成的更清晰的图像（下图）。左侧的照片是光学相的图像，右侧的图像显示了主要由蛋白质吸收的中红外（分子特异性）光导致的光学相变化。蓝色箭头指向核的边缘，白色箭头指向核仁（核内部的子结构），绿色箭头指向其他大粒子。

新的ADRIFT-QPI方法克服了定量相位成像的动态范围限制。在ADRIFT-QPI期间，相机将进行两次曝光，并产生最终图像，该图像的感光度是传统定量相显微镜图像的七倍。

第一次曝光是通过常规的定量相位成像产生的-平板光朝着样品脉冲，并在穿过样品后测量光的相移。一个计算机图像分析程序会基于第一次曝光来开发样品的图像，然后快速设计出一个雕刻的光波前，该光的波前会镜像该样品的图像。然后，一个称为波前整形装置的单独组件会生成具有较高强度的光的“光雕塑”，以提供更强的照明，并将其向样品脉冲以进行第二次曝光。

如果第一次曝光产生的图像完美地代表了样品，则第二次曝光的定制雕刻光波将以不同的相位进入样品，穿过样品，然后以平坦的光出射，从而导致相机只能看到深色图像。

“这很有趣：我们有点抹掉样本的图像。我们几乎看不到任何东西。我们取消了大型结构，以便可以更详细地看到较小的结构。” Ideguchi解释说。

实际上，第一次曝光是不完美的，因此雕刻的光波会出现细微的相位偏差。

第二次曝光显示出微小的光相位差，这些光相位差被第一次曝光中的较大差异“冲刷”了。由于第二次曝光中使用了更强的照明，因此可以以更高的灵敏度测量这些剩余的微小光相位差。

额外的计算机分析会根据两个测量结果，以扩展的动态范围来重建样本的最终图像。在概念验证演示中，研究人员估计，ADRIFT-QPI产生的图像的灵敏度是传统定量相位成像技术的七倍。

Ideguchi说，ADRIFT-QPI的真正好处是能够在整个活细胞的背景下看到微小的颗粒，而无需任何标签或污渍。

Ideguchi说：“例如，可以检测到诸如病毒之类的纳米级粒子或在细胞内外移动的粒子发出的小信号，从而可以同时观察其行为和细胞状态。”

参考：户田敬一郎，缪玉光和井口拓郎的“自适应动态范围位移（ADRIFT）定量相位成像”，2020年12月31日，灯光：科学与应用.DOI：
10.1038 / s41377-020-00435-z

资金：日本科学技术振兴会，日本科学促进会。