[論文レビュー] Super-resolution three-dimensional fluorescence and optical diffraction tomography of live cells using structured illumination generated by a digital micromirror device

Seungwoo Shin, Doyeon Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2018

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、デジタル・ミクロミラー素子（DMD）を用いて構造化照明を生成することで、光学回折トモグラフィー（ODT）と構造化照明顕微鏡法（SIM）を組み合わせたマルチモード超解像3次元イメージング技術を提示する。この手法により、ライブセルにおける3次元屈折率と蛍光分布の高速で安定した同時取得が可能となり、ヒト由来のヘラ細胞における蛍光ビーズの軌道を空間的・時間的相関解析により追跡したことが実証された。

ABSTRACT

We present a multimodal approach for measuring the three-dimensional (3D) refractive index (RI) and fluorescence distributions of live cells by combining optical diffraction tomography (ODT) and 3D structured illumination microscopy (SIM). A digital micromirror device is utilized to generate structured illumination patterns for both ODT and SIM, which enables fast and stable measurements. To verify its feasibility and applicability, the proposed method is used to measure the 3D RI distribution and 3D fluorescence image of various samples, including a cluster of fluorescent beads, and the time-lapse 3D RI dynamics of fluorescent beads inside a HeLa cell, from which the trajectory of the beads in the HeLa cell is analyzed using spatiotemporal correlations.

研究の動機と目的

• ライブセルにおける3次元屈折率（RI）および蛍光イメージングのためのマルチモードイメージング手法の開発を目的とする。
• 従来の3次元蛍光法およびODT技術における空間的分解能とイメージング速度の制限を克服することを目的とする。
• ライブセル内の細胞小器官およびプロセスの長期的で動的なモニタリングを可能とすることを目的とする。
• デジタル・ミクロミラー素子（DMD）を用いて、ODTおよびSIMの両方のための高速かつ安定した構造化照明パターンの生成を実現することを目的とする。

提案手法

• デジタル・ミクロミラー素子（DMD）を用いて、光学回折トモグラフィー（ODT）および3次元構造化照明顕微鏡法（SIM）の両方のための構造化照明パターンを生成する。
• DMDにより、照射パターンの迅速かつ正確な制御が可能となり、ODTおよびSIM両モードにおける高速データ取得が実現される。
• 散乱光の複数の方位角からの観測を用いて、DMDを用いた構造化照明に基づくODTにより3次元屈折率（RI）分布が再構成される。
• 蛍光イメージングは、パターン化された照明を用いた3次元SIMにより、回折限界を超える超解像が達成される。
• 時間的・空間的相関解析を用いて、ライブセル内における蛍光ビーズの時間経過に伴う軌道を追跡する。
• 統合されたODTおよびSIMシステムにより、ライブセルにおけるRIおよび蛍光の同時でコアライメントされた3次元イメージングが可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのDMDベースのシステムが、ライブセルにおける屈折率および蛍光の両方の超解像3次元イメージングを達成できるか？
• RQ2 DMDを用いた構造化照明に基づくODTによる3次元RI分布の再構成は、どの程度の精度で達成できるか？
• RQ3 本システムの時間的および空間的分解能は、ライブセル内での細胞内動態を追跡する際にどの程度か？
• RQ4 時間的・空間的相関解析は、本マルチモード手法を用いて、ライブセル内における蛍光ビーズの軌道を信頼性高く抽出できるか？

主な発見

• 1つのDMDを用いた構造化照明により、ライブセルにおける屈折率および蛍光の両方の超解像3次元イメージングが成功裏に達成された。
• 蛍光ビーズのクラスタの3次元屈折率分布が、従来のODTと比較して分解能が向上した状態で再構成された。
• ヘラ細胞内における蛍光ビーズの時間分解能3次元RIダイナミクスが測定され、時間経過に伴うビーズ軌道の解析が可能となった。
• 時間的・空間的相関解析により、ヘラ細胞の細胞質内における蛍光ビーズの明確で定量可能な軌道が明らかになった。
• DMDベースの照射システムにより、高速かつ安定したデータ取得が実現され、長期的なライブセルイメージングが可能となった。
• マルチモード手法により、コアライメントされた3次元RIおよび蛍光データが得られ、細胞の形態と分子動態の相関解析が可能となった。