[論文レビュー] Lateral shearing optical diffraction tomography of brain organoid with reduced spatial coherence

Pawel Goclowski, Julianna Winnik+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2026

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ひとこと要約

本論文は lateral shearing ODT（LS-ODT）を提案する。これはダイナミックな speckle 照明を用いた共通路干渉計アプローチで、脳オルガノイドのような厚く不均質な試料の3D折射率を再構成し、多重散乱の影響を低減し感度を向上させる。

ABSTRACT

Optical diffraction tomography (ODT) is a powerful technique for quantitative, label-free reconstruction of the three-dimensional refractive index (RI) distribution of biological samples. While ODT is well established for imaging thin, weakly scattering samples, it encounters significant challenges when applied to heterogeneous, strongly scattering thick samples such as tissues and organoids. In this work, a novel common-path interferometric approach to ODT is presented, specifically designed for the RI reconstruction of heterogeneous and highly scattering samples at high temporal stability. The proposed technique, termed lateral shearing (LS)-ODT, incorporates partial lateral shearing off-axis interferometry to suppress the effects of multiple scattering, similar to the mechanism in differential interference contrast (DIC) microscopy, which is widely used for imaging thick specimens. Additionally, the LS-ODT system uses dynamic speckle illumination to enhance both spatial phase and RI sensitivity compared to laser-based ODT systems. The effectiveness of this method is demonstrated through experiments on a cell phantom. Its robustness and accuracy are further validated across a wide range of samples, including mouse kidney tissue sections and brain organoids derived from human induced pluripotent stem cells (iPSCs), in both thin and thick sections. Furthermore, correlative fluorescence and RI tomography of the organoids highlights the potential of LS-ODT to enhance and support a broad spectrum of biomedical studies, particularly in the field of histology.

研究の動機と目的

• ヘテロジニアスかつ高度に散乱性のある試料（脳オルガノイドなど）に適した共通路 LS-ODT アプローチを開発する。
• 厚い試料での多重散乱効果を抑制し、RI再構成の精度を向上させる。
• ダイナミック speckle 照明を通じて空間的位相とRI感度を向上させる。
• 薄・厚組織切片の頑健性を実証し、蛍光相関と比較する。

提案手法

• 部分的な lateral shearing off-axis 干渉計を導入して多重散乱効果を抑制する。
• 高時間安定性のための共通路干渉測定系を実装する。
• レーザー基盤ODTと比較して位相およびRI感度を向上させるダイナミック speckle 照明を組み込む。
• セルファントム、マウス腎組織切片、ヒトiPSC由来脳オルガノイドで手法を検証する。
• 蛍光イメージングとRIトモグラフィの相関を取り、相補的なイメージング能力を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LS-ODT は厚く不均質な試料における多重散乱を抑制して3D RI再構成を正確に得られるか？
• RQ2 ダイナミック speckle 照明は従来のレーザー基盤ODTと比較して空間位相とRI感度を改善するか？
• RQ3 LS-ODT は材料種（セルファントム、組織切片、オルガノイド）および厚さの変化に対して頑健か？
• RQ4 組織学応用における蛍光イメージングとRIトモグラフィの補完性はどの程度か？

主な発見

• LS-ODT は共通路構成で高い時間安定性を示す。
• ダイナミック speckle 照明はレーザー基盤システムと比較して空間位相およびRI感度を向上させる。
• 手法はセルファントム、マウス腎組織、およびヒトiPSC由来脳オルガノイドの薄・厚い切片の両方で検証された。
• 蛍光とRIトモグラフィの相関は、統合的な組織病理研究の可能性を示唆する。
• 本アプローチはさまざまな試料タイプと厚さのレンジで頑健性を示す。