[論文レビュー] Label-free characterization of white blood cells by measuring 3D refractive index maps

Jonghee Yoon, Kyoohyun Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Digital Holography and Microscopy参考文献 38被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、蛍光標識や化学的標識を用いずに、マウスの白血球（WBC）を特徴付けるために、光学的回折トモグラフィーを用いたラベルフリーな3次元屈折率（RI）トモグラフィー法を提案する。複数の定量的位相像を異なる照明角度で取得し、3次元RIマップを再構築することで、異種のWBC集団の定量的区別と、細胞内ビーズの動的変化のリアルタイム追跡が可能となり、免疫学および診断分野における形態的・生化学的解析に強力なツールを提供する。

ABSTRACT

The characterization of white blood cells (WBCs) is crucial for blood analyses and disease diagnoses. However, current standard techniques rely on cell labeling, a process which imposes significant limitations. Here we present three-dimensional (3D) optical measurements and the label-free characterization of mouse WBCs using optical diffraction tomography. 3D refractive index (RI) tomograms of individual WBCs are constructed from multiple two-dimensional quantitative phase images of samples illuminated at various angles of incidence. Measurements of the 3D RI tomogram of WBCs enable the separation of heterogeneous populations of WBCs using quantitative morphological and biochemical information. Time-lapse tomographic measurements also provide the 3D trajectory of micrometer-sized beads ingested by WBCs. These results demonstrate that optical diffraction tomography can be a useful and versatile tool for the study of WBCs.

研究の動機と目的

• 蛍光標識や化学的標識に依存しないラベルフリーな白血球（WBC）の特徴付け手法の開発を目的とする。
• 定量的屈折率（RI）マッピングを用いて、異種のWBC集団の3次元的形態的・生化学的区別を可能にする。
• 時間分解能を有する3次元RIトモグラフィーを用いて、好まずく取り込みなどの細胞内プロセスを可視化・追跡する。
• 従来の標識依存型WBC解析手法に代わる光学的回折トモグラフィーの実用的有効性を確立する。

提案手法

• 光学的回折トモグラフィーを用いて、異なる照明角度で取得した複数の2次元定量的位相像から、個々のWBCの3次元屈折率（RI）マップを再構築する。
• 焦点がずれた像から定量的位相情報を回復するために、強度輸送方程式（TIE）に依存する。
• ボーン近似に基づく線形サンプリング法を用いて散乱データを逆問題として解き、3次元RIトモグラムを再構築する。
• マイクロメートルサイズのビーズがWBCに取り込まれる様子を捉えるために、時間分解能を有する撮影を実施する。
• 3次元RI分布から、定量的な形態的および生化学的パラメータを抽出可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元屈折率トモグラフィーは、形態的・生化学的特性に基づいて、ラベルフリーで異種のWBC集団を区別可能か？
• RQ2 光学的回折トモグラフィーは、ラベルなしで、個々のWBCの3次元的内部構造をどの程度正確に解像可能か？
• RQ3 時間分解能を有する3次元RIトモグラフィーは、生きたWBC内での取り込まれた粒子の3次元的軌跡を追跡可能か？
• RQ4 3次元RI分布は、WBCの細胞内組成および機能とどの程度相関しているか？

主な発見

• 3次元屈折率トモグラムは、ラベルなしでマウスWBC集団の形態的・生化学的不均一性を明確に解像した。
• 本手法により、3次元RI分布に基づいたWBCサブタイプの定量的区別が可能となり、細胞解析に内在的なコントラストを提供した。
• 時間分解能を有する測定により、WBCが内部に取り込んだマイクロメートルサイズのビーズの3次元的軌跡が捉えられ、好まずく取り込みのリアルタイムモニタリングが可能となった。
• 再構築された3次元RIマップは、高い空間分解能で細胞体積や乾燥質量といった定量的形態的パラメータを提供した。