[논문 리뷰] Label-free characterization of white blood cells by measuring 3D refractive index maps

Jonghee Yoon, Kyoohyun Kim외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 01.

Digital Holography and Microscopy참고 문헌 38인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 형광 또는 화학적 표지 없이도 마우스 백혈구(WBC)를 특성화하기 위해 광학 회절 단층촬영을 이용한 레이블 프리 3차원 굴절률(RI) 단층촬영 기법을 제시한다. 다양한 조명 각도에서 획득한 다수의 양적 위상 영상에서 3차원 RI 맵을 재구성함으로써 이 기법은 이질적인 WBC 집단 간의 정량적 구별과 세포 내 입자 동역학의 실시간 추적을 가능하게 하며, 면역학 및 진단 분야에서 형태학적 및 생화학적 분석을 위한 강력한 도구를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 형광 또는 화학적 표지에 의존하지 않고 백혈구(WBC)를 특성화하기 위한 레이블 프리 방법을 개발하는 것.
• 정량적 굴절률(RI) 맵을 이용해 이질적인 WBC 집단의 3차원 형태학적 및 생화학적 구별을 가능하게 하는 것.
• 시간 경과에 따른 3차원 RI 단층촬영을 통해 살아있는 WBC에서 흡입 작용과 같은 세포 내 과정을 시각화하고 추적하는 것.
• 기존의 표지 의존적 WBC 분석 기법에 비해 광학 회절 단층촬영을 실용적인 대안으로 정립하는 것.

제안 방법

• 다양한 조명 각도에서 획득한 다수의 2차원 양적 위상 영상로부터 광학 회절 단층촬영을 이용해 개별 WBC의 3차원 굴절률(RI) 맵을 재구성한다.
• 이 기법은 초점이 흐린 영상에서 정량적 위상 정보를 추출하기 위해 강건한 강도 방정식(TIE)에 기반한다.
• 선형 샘플링 방법을 기반으로 한 보른 근사에 따라 산란 데이터를 역행하여 3차원 RI 단층영상을 재구성한다.
• 시간 경과에 따른 영상 촬영을 통해 WBC가 마이크로미터 크기의 입자를 흡입하는 동적 과정을 캡처한다.
• 이 방법을 통해 3차원 RI 분포에서 정량적 형태학적 및 생화학적 파rameter를 추출할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 굴절률 단층촬영은 형태학적 및 생화학적 특성에 기반해 레이블 없이 이질적인 WBC 집단을 구별할 수 있는가?
• RQ2 광학 회절 단층촬영은 표지 없이도 개별 WBC의 3차원 내부 구조를 얼마나 정확하게 해상할 수 있는가?
• RQ3 시간 경과에 따른 3차원 RI 단층촬영은 살아있는 WBC 내부에 흡입된 입자의 3차원 궤적을 추적할 수 있는가?
• RQ4 3차원 RI 분포는 WBC의 세포 구성과 기능과 어느 정도 상관이 있는가?

주요 결과

• 레이블 없이도 3차원 굴절률 단층영상가 마우스 WBC 집단 간의 형태학적 및 생화학적 이질성을 성공적으로 해상하였다.
• 이 기법은 3차원 RI 분포에 기반해 WBC 아형을 정량적으로 구별할 수 있었으며, 세포 분석을 위한 내재된 대비를 제공하였다.
• 시간 경과 측정을 통해 WBC에 내재된 마이크로미터 크기의 입자의 3차원 궤적을 캡처하여 흡입 활동의 실시간 모니터링을 입증하였다.
• 재구성된 3차원 RI 맵는 고해상도로 세포 부피 및 건조 질량와 같은 정량적 형태학적 파rameter를 제공하였다.