PRISM 技術により、時空間における生細胞イメージングの光の回折限界を突破

• 研究者たちは、光の回折を超えて観察できる新しい技術 (PRISM) を開発しました。 
• 超解像度の空間的および時間的イメージングを通じて、生きた細胞内部の優れたビューをキャプチャできます。 

過去数十年間、私たちは細胞内構造を観察するために PALM や STORM などの広視野蛍光イメージング法を使用してきました。これらの方法では、長いシーケンスで何百、何千もの生の画像が必要です。したがって、空間解像度を上げると、時間解像度が低下します。

現在、EPFL (スイス、ローザンヌの研究機関) の研究者たちは、超解像度の空間的および時間的イメージング (空間と時間の両方) を通じて、生きた細胞内部の優れたビューをキャプチャできるシステムを設計しました。

PRISM (Phase Retrieval Instrument with Super-resolution Microscopy) と名付けられた新しい顕微鏡プラットフォームは、光の回折を超えて観察することができます。 3 次元顕微鏡法と白色光 3 次元位相回復のための新しい技術が統合されています。

蛍光超解像の空間分解能と分子特異性を、高速かつ高感度の定量的位相イメージングと組み合わせて、マルチモーダルな 4 次元イメージングを可能にします。 

4D 細胞顕微鏡はどのように機能するのですか?

研究者らはフーリエ フィルターを使用して、一連の白色光画像から 3D 定量位相を抽出しました。次に、3D 部分コヒーレント画像形成によるこの明視野深度分解位相イメージングについて説明しました。

彼らは、z 方向に変位した強度の大きなスタックから安定したセルの高解像度 3D 位相データを取得することで、その概念を実証しました。彼らは、8 つの平面を同時に取得するための PRISM を開発しました。これは、2.5*50*50 マイクロメートルの体積にわたって高速 3D 位相イメージングを実行できます。 最後に、位相顕微鏡と超解像光変動イメージング (SOFI) を使用して、細胞のサンプルを 3D で連続的に画像化しました。

SOFI は、マルチプレーン顕微鏡で再構成された画像あたり 1 秒近くの時間分解能で生細胞の 3D イメージングをサポートします。さらに、分子パラメータの定量的評価を提供し、高い標識密度を許容します。

参考:ネイチャーフォトニクス | 土井:10.1038/s41566-018-0109-4 | EPFL

簡単に言うと、PRISM は現在の広視野顕微鏡プラットフォームへのアドオンであり、3D 蛍光超解像イメージングと 3D 定量フェーズのシンプルかつ迅速な実装を可能にします。要するに、新しいシステムは、生細胞の時間的生理機能と複雑な空間を観察するためのより良い機会を提供します。

技術的な詳細

PRISM技術で観察した細胞 |クレジット:T. Lasser / EPFL

ヘルムホルツの波動方程式に基づいたこの手法は、ウィナー ヒンチン定理のフレームワークに組み込まれています。 Z 軸に沿った位相データをデコードするプロセスは、前方微弱散乱干渉を計算することによって行われます。

彼らは、取得した体積強度スタックから 3D 位相データを復元するための効率的なアルゴリズムを構築しました。高い検出開口数と白色光ケーラー照明により、生細胞のスペックルフリーの高解像度で安定した定量的位相イメージングが実現します。 さらに、シミュレーションでは 350*560 ナノメートルの軸分解能が検証されました。 

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全体として、この手順により、従来の明視野顕微鏡をシンプル、高速、信頼性の高い 3D 位相顕微鏡にアップグレードすることができ、生命科学や生物学における数多くの研究や応用に対する期待を満たすことが期待されています。