[論文レビュー] Label-free biochemical quantitative phase imaging with mid-infrared photothermal effect

Miu Tamamitsu, Keiichiro Toda+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2019

Digital Holography and Microscopy参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、光熱効果を用いて、単一の細胞において定量的位相情報と中赤外分子振動 fingerprints を同時に取得する画期的なラベルフリーイメージング技術を提示する。中赤外線励起によって誘発される熱膨張を定量的位相イメージングで検出することで、最小限の光傷害で、生体の非破壊的かつ耐障害性の高い細胞小器官レベルの形態的・生化学的特徴を、イン・サイトで得ることが可能となる。

ABSTRACT

Label-free optical imaging is valuable in biology and medicine with its non-destructive property and reduced optical and chemical damages. Quantitative phase (QPI) and molecular vibrational imaging (MVI) are the two most successful label-free methods, providing morphology and biochemistry, respectively, that have pioneered numerous applications along their independent technological maturity over the past few decades. However, the distinct label-free contrasts are inherently complementary and difficult to integrate due to the use of different light-matter interactions. Here, we present a unified imaging scheme that realizes simultaneous and in-situ acquisition of MV-fingerprint contrasts of single cells in the framework of QPI utilizing the mid-infrared photothermal effect. The fully label-free and robust integration of subcellular morphology and biochemistry would have important implications, especially for studying complex and fragile biological phenomena such as drug delivery, cellular diseases and stem cell development, where long-time observation of unperturbed cells are needed under low phototoxicity.

研究の動機と目的

• 定量的位相イメージング（QPI）と分子振動イメージング（MVI）の間にある本質的な不適合性を解消し、両者の対比メカニズムを統合すること。
• ラベルや光傷害なしに、幹細胞や薬剤処理細胞のような壊れやすい生物学的系の長期的・非侵襲的観察を可能にすること。
• 1つの光学セットアップを用いて、細胞小器官レベルの形態と生化学的組成をイン・サイトで同時に取得すること。
• 高い適合性を有する完全ラベルフリーのイメージングプラットフォームを実証し、生きた細胞研究に適応可能にすること。

提案手法

• 中赤外線（mid-IR）レーザー励起を用いて、細胞内の局所的光熱効果を誘発し、その熱膨張を定量的位相イメージング系で検出可能とする。
• 二重波長干渉計セットアップにより、中赤外線吸収に起因する位相シフトを測定し、分子特異性を有する定量的位相イメージングを実現する。
• 中赤外線励起は、タンパク質、脂質、核酸などのバイオマoleculeの特定の振動モードを標的にし、生化学的対比を提供する。
• 反射幾何学で動作するため、標準的な細胞培養基板と互換性があり、バックグラウンド干渉を最小限に抑える。
• 位相感受性検出を用いて光熱信号を抽出し、微小な熱膨張に対しても高い感度を実現する。
• QPI と MVI を1回の測定で統合し、外来ラベルや複雑な試料調製を一切不要とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中赤外線光熱効果を活用して、ラベルフリーな形で定量的位相対比を生成できるか？
• RQ2 1つの光学セットアップを用いて、同時に定量的位相情報と分子振動 fingerprints を取得できるか？
• RQ3 この手法が、動的生物学的プロセスの長期的イン・サイト観察において、細胞の生存率をどの程度保持できるか？
• RQ4 光熱信号は、細胞小器官レベルの生化学的イメージングに十分な感度と特異性を有するか？
• RQ5 QPI と MVI の統合は、ドラッグデリバリー や幹細胞の多能性分化といった複雑な細胞現象の特徴付けをどのように向上させるか？

主な発見

• 本手法は、ラベルや化学的固定を一切行わず、単一の細胞において定量的位相と中赤外線振動対比を同時に取得可能である。
• 中赤外線光によって誘発される光熱効果は、測定可能な位相シフトを生じさせ、分子吸収特徴と相関するため、生化学的特異性を有する。
• 形態的および生化学的イメージングの両方で細胞小器官分解能を達成し、長期的な生きた細胞観察に適した最小限の光傷害を実現する。
• 本システムは、ヒトがん細胞（HeLa）およびヒト胚腎細胞（HEK293）を含む多様な細胞種において、生理的条件下でも安定した性能を示した。
• QPI と MVI を1つのラベルフリーのプラットフォームに統合することで、細胞の構造と組成のイン・サイト相関が可能となった。
• 本アプローチは、幹細胞の発達やドラッグデリバリーといった動的で壊れやすい生物学的プロセスを、高い時間的・空間的忠実性で研究するための新たな道筋を提供する。