[论文解读] Super-resolution three-dimensional fluorescence and optical diffraction tomography of live cells using structured illumination generated by a digital micromirror device
本文提出了一种结合光学衍射断层扫描（ODT）和结构光照明显微镜（SIM）的多模态超分辨率3D成像技术，利用数字微镜器件（DMD）生成结构化照明。该方法实现了对活细胞中3D折射率与荧光分布的快速、稳定且同步的采集，通过时空相关性分析展示了在HeLa细胞中追踪荧光微球轨迹的能力。
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.
研究动机与目标
- 开发一种多模态成像方法，用于活细胞中3D折射率（RI）与荧光的同步成像。
- 克服传统3D荧光成像与ODT技术在空间分辨率和成像速度方面的局限性。
- 实现对活细胞内细胞器与细胞过程的长期、动态监测。
- 利用数字微镜器件（DMD）快速且稳定地生成ODT与SIM所需的结构化照明图案。
提出的方法
- 使用数字微镜器件（DMD）为光学衍射断层扫描（ODT）和3D结构光照明显微镜（SIM）生成结构化照明图案。
- DMD实现了对照明图案的快速且精确的控制，促进了ODT与SIM模式下的快速数据采集。
- 通过在结构化照明下从多个角度获取散射光，利用ODT重建3D折射率（RI）分布。
- 利用图案化照明的3D SIM进行荧光成像，实现超越衍射极限的超分辨率。
- 应用时空相关性分析，对活细胞内荧光微球的运动轨迹进行长时间追踪。
- ODT与SIM相结合的系统实现了活细胞中折射率与荧光的同步、共聚焦3D成像。
实验结果
研究问题
- RQ1单一DMD系统能否实现活细胞中折射率与荧光的超分辨率3D成像？
- RQ2基于DMD的结构化照明ODT能否准确重建3D折射率分布？
- RQ3该系统在追踪活细胞内动态过程时，其时间与空间分辨率如何？
- RQ4基于该多模态方法，时空相关性分析能否可靠地提取活细胞内荧光微球的运动轨迹？
主要发现
- 该系统成功利用单一DMD生成结构化照明，实现了活细胞中折射率与荧光的超分辨率3D成像。
- 与传统ODT相比，荧光微球簇的3D折射率分布重建分辨率得到显著提升。
- 测量了HeLa细胞内荧光微球的时序3D RI动态变化，实现了对微球轨迹的长时间分析。
- 时空相关性分析揭示了荧光微球在HeLa细胞胞质中清晰且可量化的运动轨迹。
- 基于DMD的照明系统实现了快速且稳定的数据采集，支持长期活细胞成像。
- 该多模态方法提供了共聚焦的3D RI与荧光数据，实现了细胞形态与分子动态的关联分析。
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