[論文レビュー] Optical diffraction tomography techniques for the study of cell pathophysiology

Kyoohyun Kim, Jonghee Yoon+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2016

Digital Holography and Microscopy参考文献 90被引用数 70

ひとこと要約

本稿は、細胞のパスオロジーや生理学的機構を研究するための定量的でラベルフリーな3次元イメージング技術としての光回折トモグラフィー（ODT）をレビューしている。多角度からの定量的位相差像から細胞の複素屈折率分布を再構成することで、ODTは非侵襲的で高分解能な細胞構造および動態の3次元可視化を可能にし、細胞の力学的性質、形態、およびアポトーシスやがんの進行といった疾患メカニズムに関する新たな知見を提供する。

ABSTRACT

Three-dimensional imaging of biological cells is crucial for the investigation of cell biology, provide valuable information to reveal the mechanisms behind pathophysiology of cells and tissues. Recent advances in optical diffraction tomography (ODT) have demonstrated the potential for the study of various cells with its unique advantages of quantitative and label-free imaging capability. To provide insight on this rapidly growing field of research and to discuss its applications in biology and medicine, we present the summary of the ODT principle and highlight recent studies utilizing ODT with the emphasis on the applications to the pathophysiology of cells.

研究の動機と目的

• 光回折トモグラフィー（ODT）の原理と生物学的・医学的応用分野における応用を包括的に概説すること。
• ODTが蛍光標識なしに定量的で非侵襲的な3次元イメージングを実現する点における独自の利点を強調すること。
• アポトーシス、細胞周期の変化、がん細胞の形態といった細胞のパスオロジカルなプロセスを研究するための最近のODTの応用を議論すること。
• ODT技術と細胞生物学および臨床診断分野におけるその応用可能性のギャップを埋めること。

提案手法

• ODTは、複数の照明角度から取得した定量的位相差像を用いて、試料の3次元複素屈折率（CRI）分布を再構成する。
• 測定された位相差を試料の屈折率分布に関連付けるために、1次ボーン近似に基づく線形逆散乱モデルが用いられる。
• 多角度照明は回転するサンプルステージまたは角度可変の光源を用いて実現され、3次元CRIのトモグラフィック再構成が可能になる。
• 再構成アルゴリズムは、反復的または直接的逆解法を用いて逆問題を解き、3次元屈折率マップを回復する。
• 高精度な位相安定性と定量的正確性を確保するため、一般的な経路干渉計またはデジタルホログラフィーが用いられる。
• 得られる3次元屈折率マップは、染色や標識なしに、生きた細胞の定量的形態的および構造的情報を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ODTは、外部ラベルを用いずに、どのように生きた細胞の定量的3次元イメージングを可能にするか？
• RQ2 ODTは、細胞のパスオロジーや生理学的機構を研究するうえで、従来の顕微鏡法に比べてどのような主な利点を有するか？
• RQ3 アポトーシスや細胞周期の進行といったプロセス中に、ODTは細胞形態および屈折率の動的変化をどのように明らかにするか？
• RQ4 ODTは、細胞レベルにおける疾患の機械的および構造的基盤を理解するために、どのような点で貢献できるか？

主な発見

• ODTは、マイクロメートル未満の空間分解能を有し、生きた細胞の複素屈折率の高分解能3次元定量的イメージングを可能にする。
• 本技術は、ヘラ細胞やU2OS細胞を含むさまざまな細胞タイプにおいて、3次元核の形態および胞質構造を明確に可視化できる。
• アポトーシスの過程で生じる微小な屈折率変化（染色体の凝縮や核の断片化）を、高い感度で検出できる。
• 細胞周期に伴う動的な形態的変化、例えば核の拡大や染色体の再編成を、ODTが明らかにしている。
• ODTは細胞のドライマスおよび体積の定量的情報を提供し、細胞の成長や分裂の正確な追跡が可能になる。
• 最近の研究では、屈折率の不均一性や構造的異常を基に、がん細胞と非がん細胞を区別するODTの可能性が示されている。