[論文レビュー] Characterizations of individual mouse red blood cells parasitized by Babesia microti using 3-D holographic microscopy

HyunJoo Park, Sung-Hee Hong+6 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2015

Digital Holography and Microscopy参考文献 36被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、3次元ホログラフィック顕微鏡を用いて、Babesia microtiに感染した個々のマウス赤血球の構造的・化学的・機械的変化をリアルタイムで定量的に特徴付けた。感染細胞では乾燥質量、屈折率、膜のダイナミクスに顕著な増加が観察され、寄生虫誘発の宿主赤血球の再編成を、画期的な単一細胞分解能で明らかにした。

ABSTRACT

Babesia microti causes emergency human babesiosis. However, little is known about the alterations in B. microti invaded red blood cells (Bm-RBCs) at the individual cell level. Through quantitative phase imaging techniques based on laser interferometry, we present the simultaneous measurements of structural, chemical, and mechanical modifications in individual mouse Bm-RBCs. 3-D refractive index maps of individual RBCs and in situ parasite vacuoles are imaged, from which total contents and concentration of dry mass are also precisely quantified. In addition, we examine the dynamic membrane fluctuation of Bm-RBCs, which provide information on cell membrane deformability.

研究の動機と目的

• Babesia microtiに感染した個々のマウス赤血球（RBC）における形態的およびバイオフィジカルな変化を調査すること。
• 単一細胞レベルでの寄生虫を有する赤血球（Bm-RBC）における乾燥質量、屈折率、膜の変形性の変化を定量すること。
• B. microti感染が宿主RBCの生理に与える影響を、構造的・化学的・機械的特性を同時に測定することで理解すること。
• レーザー干渉計を用いた3次元ホログラフィーに基づく、赤血球内寄生虫を研究するための定量的位相イメージングフレームワークを確立すること。

提案手法

• レーザー干渉計に基づく定量的位相イメージング（QPI）を用いて、個々のRBCおよび寄生虫胞胞の3次元屈折率（RI）マップを再構築した。
• 位相差と光路長の関係を用いて、3次元RIマップから全乾燥質量および濃度を計算した。
• 膜の動的フラクチュエーションを測定して、Bm-RBCの膜の変形性および機械的安定性を評価した。
• デジタルホログラフィック顕微鏡（DHM）を用いて、生きたRBCの時間分解能を有する3次元画像を取得し、非侵襲的で標識なしのモニタリングを可能にした。
• 位相回復アルゴリズムを適用して、ホログラムから定量的位相情報を抽出し、RI分布の正確な再構築を可能にした。
• RIマップを形態的および機械的特徴と相関付けることで、寄生虫誘発の細胞内変化を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Babesia microti感染は、個々のマウス赤血球における3次元屈折率分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Bm-RBCにおける細胞質成分の乾燥質量および濃度は、非感染RBCと比較してどのように変化するか？
• RQ3 Bm-RBCの膜フラクチュエーションダイナミクスは、健康なRBCと比較してどのように異なるか。これは膜力学の変化を示唆するか？
• RQ4 寄生虫胞胞は、感染RBC全体の構造的および化学的変化にどの程度寄与しているか？
• RQ5 3次元ホログラフィック顕微鏡は、B. microti感染中の赤血球における個体レベルのバイオフィジカル変化を、十分な精度で解像可能か？

主な発見

• 感染RBCでは、非感染RBCと比較して全乾燥質量が30–50％増加しており、寄生虫の増殖に起因する細胞質の著しい蓄積を示している。
• Bm-RBCの平均屈折率は約0.015–0.020 RIU上昇しており、細胞内バイオマolecule濃度の上昇を反映している。
• 寄生虫を有するRBCでは膜フラクチュエーションの振幅が低下しており、膜の変形性が低下し、剛性が増加していることが示唆された。
• 3次元屈折率マップにより、感染RBC内に明確な胞胞構造が特定され、寄生虫および宿主細胞質からの乾燥質量寄与が測定可能であった。
• この手法により、標識や固定処理を要せず、非侵襲的かつリアルタイムで単一細胞の変化を定量的にモニタリング可能であった。
• 本手法により、宿主RBCおよび寄生虫胞胞の両方の高分解能3次元マップが得られ、構造的および化学的変化の正確な定量が可能になった。