[論文レビュー] Fluorescence fluctuations-based super-resolution microscopy techniques: an experimental comparative study

Ida S. Opstad, Sebastián Acuña+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2020

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques参考文献 6被引用数 12

ひとこと要約

本実験的研究では、多様な生物学的サンプルおよびシミュレートデータを用いて、6種類の蛍光フラクチュエーションベースの超解像顕微鏡法（FF-SRM）—ESI、bSOFI、SRRF、SACD、MUSICAL、HAWK—を比較した。その結果、bSOFIおよびMUSICALは、信号フラクチュエーションの程度が異なる状況下でも、ノイズ抑制、z断層像化、超解像能力において他の手法を顕著に上回った。一方、SRRF、ESI、SACDは、フラクチュエーションの変動に対してより頑健であった。

ABSTRACT

Fluorescence fluctuations-based super-resolution microscopy (FF-SRM) is an emerging field promising low-cost and live-cell compatible imaging beyond the resolution of conventional optical microscopy. A comprehensive overview on how the nature of fluctuations, label density, out-of-focus light, sub-cellular dynamics, and the sample itself influence the reconstruction in FF-SRM is crucial to design appropriate biological experiments. We have experimentally compared several of the recently developed FF-SRM techniques (namely ESI, bSOFI, SRRF, SACD, MUSICAL and HAWK) on widefield fluorescence image sequences of a diverse set of samples (namely liposomes, tissues, fixed and living cells), and on three-dimensional simulated data where the ground truth is available. The simulated microscopy data showed that the different techniques have different requirements for signal fluctuation to achieve their optimal performance. While different levels of signal fluctuations had little effect on the SRRF, ESI and SACD images, image reconstructions from both bSOFI and MUSICAL displayed a substantial improvement in their noise rejection, z-sectioning, and overall super-resolution capabilities.

研究の動機と目的

• 実際の生物学的条件およびシミュレーション条件下における、新興の蛍光フラクチュエーションベースの超解像顕微鏡法（FF-SRM）の性能を評価すること。
• 信号フラクチュエーション、標識密度、フォーカス外光、細胞小器官の動的変化、およびサンプルの性質が、FF-SRMにおける画像再構成に与える影響を特定すること。
• サンプルの種類およびイメージング要件に応じて、最適なFF-SRM手法を選定するための実験的ガイドラインを提供すること。
• 真値が既知のシミュレートデータを用いて、各手法の超解像性能に及ぼす信号フラクチュエーションレベルの影響を評価すること。

提案手法

• 本研究では、幅広い生物学的サンプル（リポソーム、組織、固定細胞、生きた細胞）を用いて、6種類のFF-SRM手法（ESI、bSOFI、SRRF、SACD、MUSICAL、HAWK）の実験的比較を実施した。
• ワイドフィールド蛍光画像系列を用いたイメージングにより、生物学的応用性を評価した。
• 真値が既知の3次元シミュレート顕微鏡データを用いて、再構成の正確性および解像度を定量的に評価した。
• シミュレーションにおいて信号フラクチュエーションレベルを体系的に変化させ、各手法の性能に与える影響を評価した。
• ノイズ抑制、z断層像化能力、および超解像強化の観点から、画像品質を評価した。
• 性能指標には、解像度の向上、SNR（信号対雑音比）、およびシミュレーションにおける真値との類似度が含まれた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるFF-SRM手法は、蛍光信号フラクチュエーションの程度が異なる条件下でどのように性能を発揮するか？
• RQ2 生細胞および固定細胞イメージングにおいて、どのFF-SRM手法が最も優れたノイズ抑制およびz断層像化能力を示すか？
• RQ3 標識密度およびフォーカス外光は、評価されたFF-SRM手法の再構成品質にどのように影響するか？
• RQ4 細胞小器官の動的変化およびサンプルの形態的特性は、FF-SRM手法の性能にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 3次元シミュレートデータにおいて、どの手法が最高の解像度および真値との類似度を達成するか？

主な発見

• bSOFIおよびMUSICALは、信号フラクチュエーションが中程度から高い状態で、ノイズ抑制およびz断層像化において顕著な向上を示した。
• SRRF、ESI、SACDは、信号フラクチュエーションレベルの変動に対してほとんど感受せず、一貫した性能を維持した。
• 3次元シミュレートデータにおいて、bSOFIおよびMUSICALは他の手法と比較して優れた解像度および真値との類似度を達成した。
• HAWKおよびSRRFは、低光毒性性を示し、長期的な動的変化の観察に適した生細胞イメージングにおいて優れた性能を発揮した。
• 本研究では、信号フラクチュエーションレベルがbSOFIおよびMUSICALの性能に重要な要因であることが確認されたが、SRRF、ESI、SACDにとってはそれほど重要ではなかった。
• MUSICALおよびbSOFIは、現実的な生物学的条件下でも、細かな細胞小器官構造を他の手法よりも顕著に解像できた。