Техника PRISM разрушает пределы дифракции света для визуализации живых клеток в пространстве и времени

• Исследователи разрабатывают новую технику (ПРИЗМА), которая позволяет наблюдать за пределами дифракции света. 
• Он может захватывать исключительные виды внутри живых клеток с помощью пространственных и временных изображений сверхвысокого разрешения. 

В течение последних нескольких десятилетий мы использовали методы флуоресцентной визуализации в широком поле, такие как PALM и STORM, для наблюдения субклеточных структур. Эти методы требуют сотен и тысяч необработанных изображений в длинных последовательностях. Таким образом, увеличение пространственного разрешения уменьшает временное разрешение.

Теперь исследователи из EPFL (исследовательского института в Лозанне, Швейцария) разработали систему, которая может захватывать исключительные виды внутри живых клеток с помощью пространственных и временных изображений сверхвысокого разрешения (как в пространстве, так и во времени).

Новая платформа микроскопии, получившая название PRISM (инструмент для поиска фазы с микроскопией сверхвысокого разрешения), может наблюдать за пределами дифракции света. Он объединяет трехмерную микроскопию и новую технику трехмерного определения фазы белого света.

Он сочетает в себе пространственное разрешение сверхразрешения флуоресценции и молекулярную специфичность с высокоскоростной и чувствительной количественной фазовой визуализацией, обеспечивая мультимодальную четырехмерную визуализацию. 

Как работает 4D клеточная микроскопия?

Исследователи использовали фильтрацию Фурье для извлечения трехмерной количественной фазы из массива изображений в белом свете. Затем они объяснили эту фазовую визуализацию в светлом поле с разрешением по глубине посредством формирования частично когерентного трехмерного изображения.

Они продемонстрировали свою концепцию, получив трехмерные фазовые данные стабильных клеток с высоким разрешением из большого набора интенсивностей со смещением по оси Z. Они разработали PRISM для одновременного получения 8 плоскостей – она может выполнять высокоскоростную фазовую трехмерную визуализацию в объеме 2,5*50*50 микрометров. Наконец, они последовательно визуализировали образцы клеток с помощью 3D-изображений с помощью фазовой микроскопии и визуализации оптических флуктуаций сверхразрешения (SOFI).

SOFI поддерживает трехмерную визуализацию живых клеток с временным разрешением почти одну секунду на реконструированное изображение в многоплоскостном микроскопе. Кроме того, он предлагает количественную оценку молекулярных параметров и допускает высокую плотность маркировки.

Ссылка: Природная фотоника | doi:10.1038/s41566-018-0109-4 | ЕФФЛ

Проще говоря, PRISM — это дополнение к существующим платформам широкоугольной микроскопии, которое позволяет просто и быстро реализовать 3D-флуоресцентную визуализацию со сверхвысоким разрешением и 3D-количественную фазу. В итоге новая система предоставляет лучшую возможность наблюдать временную физиологию и сложное пространство живых клеток.

Технические подробности

Клетка, наблюдаемая с помощью техники PRISM | Фото:Т. Лассер / EPFL

Этот метод, основанный на волновом уравнении Гельмгольца, встроен в структуру теоремы Винера – Хинчина. Процесс декодирования фазовых данных по оси z осуществляется путем расчета прямой помехи слабого рассеяния.

Они создали эффективный алгоритм для восстановления трехмерных фазовых данных из полученного стека объемной интенсивности. Высокая числовая апертура обнаружения и освещение по Келеру белым светом обеспечивают беззерновое и стабильное количественное фазовое изображение живых клеток с высоким разрешением. Более того, моделирование подтвердило осевое разрешение 350*560 нанометров. 

Читайте:Измерение электрической активности мозга с помощью флуоресцентного датчика

В целом, эта процедура позволяет модернизировать обычный микроскоп светлого поля до простого, быстрого и надежного трехмерного фазового микроскопа, который должен оправдать ожидания многочисленных исследований и применений в науках о жизни и биологии.