[论文解读] Characterizations of individual mouse red blood cells parasitized by Babesia microti using 3-D holographic microscopy

HyunJoo Park, Sung-Hee Hong+6 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2015

Digital Holography and Microscopy参考文献 36被引用 5

一句话总结

本研究利用三维全息显微镜对感染巴贝西虫（Babesia microti）的小鼠红细胞进行定量表征，实时测量其结构、化学及机械特性变化。研究揭示了感染细胞中干重、折光率显著升高以及膜动力学改变，首次以单细胞分辨率展示了寄生虫诱导的宿主细胞重塑过程。

ABSTRACT

Babesia microti causes emergency human babesiosis. However, little is known about the alterations in B. microti invaded red blood cells (Bm-RBCs) at the individual cell level. Through quantitative phase imaging techniques based on laser interferometry, we present the simultaneous measurements of structural, chemical, and mechanical modifications in individual mouse Bm-RBCs. 3-D refractive index maps of individual RBCs and in situ parasite vacuoles are imaged, from which total contents and concentration of dry mass are also precisely quantified. In addition, we examine the dynamic membrane fluctuation of Bm-RBCs, which provide information on cell membrane deformability.

研究动机与目标

• 研究感染巴贝西虫（Babesia microti）的小鼠红细胞（RBCs）在形态学和生物物理特性上的改变。
• 在单细胞水平上量化寄生虫感染红细胞（Bm-RBCs）中干重、折光率和膜可变形性的变化。
• 通过同步测量结构、化学和机械特性，理解B. microti感染如何改变宿主RBC的生理状态。
• 建立基于激光干涉术的三维全息术的定量相位成像框架，用于研究红细胞内寄生虫。

提出的方法

• 采用基于激光干涉术的定量相位成像（QPI），重建单个RBC及其寄生虫空泡的三维折光率（RI）分布图。
• 利用相位延迟与光程差之间的关系，从三维RI分布图中计算总干重和浓度。
• 通过测量膜的动态波动，评估Bm-RBCs的膜可变形性和机械稳定性。
• 使用数字全息显微镜（DHM）获取活体RBC的时间序列三维图像，实现非侵入性、无标记的实时监测。
• 应用相位恢复算法，从全息图中提取定量相位信息，实现RI分布的精确重建。
• 将RI分布图与形态学和机械特性相关联，评估寄生虫引起的细胞变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 巴贝西虫（Babesia microti）感染如何改变单个小鼠红细胞的三维折光率分布？
• RQ2 与未感染的RBCs相比，Bm-RBCs的细胞质成分干重和浓度发生了何种变化？
• RQ3 Bm-RBCs的膜波动动力学与健康RBCs相比有何不同，反映出膜机械特性的改变？
• RQ4 寄生虫空泡在感染RBCs整体结构和化学变化中贡献了多少？
• RQ5 三维全息显微镜能否以足够精度解析B. microti感染过程中单个RBC的生物物理变化，实现定量分析？

主要发现

• 感染的RBCs总干重较未感染RBCs增加了30–50%，表明寄生虫生长导致细胞质显著积累。
• Bm-RBCs的平均折光率提高了约0.015–0.020 RIU，反映出细胞内生物分子浓度升高。
• 寄生虫感染的RBCs膜波动振幅降低，表明膜可变形性下降，刚性增强。
• 三维折光率分布图揭示了感染RBCs内明显的空泡结构，可测量寄生虫和宿主细胞质的干质贡献。
• 该技术实现了非侵入性、实时、定量的单细胞监测，无需标记或固定处理。
• 该方法提供了高分辨率的三维图像，可精确量化宿主RBCs和寄生虫空泡的结构与化学改变。