[论文解读] Label-free characterization of white blood cells by measuring 3D refractive index maps

Jonghee Yoon, Kyoohyun Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Digital Holography and Microscopy参考文献 38被引用 5

一句话总结

本研究提出了一种基于光学衍射断层扫描的无标记3D折射率（RI）断层成像方法，用于在不染色或标记的情况下表征小鼠白细胞（WBCs）。通过从不同照明角度获取的多个定量相位图像重建3D RI图，该技术实现了对异质性WBC群体的定量区分，并可实时追踪细胞内微珠的动力学，为免疫学和诊断学中的形态学与生化分析提供了强有力的工具。

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.

研究动机与目标

• 开发一种无需依赖荧光或化学标记的无标记方法，用于表征白细胞（WBCs）。
• 利用定量折射率（RI）图谱实现对异质性WBC群体的3D形态学与生化特性区分。
• 通过时间序列3D RI断层成像可视化并追踪活WBC内如吞噬作用等细胞内过程。
• 确立光学衍射断层扫描作为传统依赖标记的WBC分析技术的可行替代方案。

提出的方法

• 利用光学衍射断层扫描，从不同照明角度获取的多个2D定量相位图像中重建单个WBC的3D折射率（RI）图谱。
• 该技术依赖于强度传输方程（TIE）从离焦图像中提取定量相位信息。
• 通过基于Born近似的线性采样方法反演散射数据，重建3D RI断层图。
• 进行时间序列成像以捕捉微米级微珠被WBC吞噬等动态过程。
• 该方法可从3D RI分布中提取定量的形态学与生化参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D折射率断层成像是否能够基于形态学与生化特性实现对异质性WBC群体的无标记区分？
• RQ2 光学衍射断层扫描在无标记条件下对单个WBC 3D内部结构的分辨精度如何？
• RQ3 时间序列3D RI断层成像能否追踪活WBC内吞粒子的3D轨迹？
• RQ4 3D RI分布与WBC细胞组成及功能的相关性在多大程度上成立？

主要发现

• 3D折射率断层图成功分辨了小鼠WBC群体之间在形态学与生化特性上的异质性，且无需标记。
• 该技术基于3D RI分布实现了对WBC亚型的定量区分，为细胞分析提供了内在对比度。
• 时间序列测量捕捉到了WBC内吞微米级微珠的3D轨迹，展示了对吞噬活性的实时监测能力。
• 重建的3D RI图谱提供了高空间分辨率的定量形态学参数，如细胞体积和干质量。