[论文解读] Optical diffraction tomography techniques for the study of cell pathophysiology

Kyoohyun Kim, Jonghee Yoon+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2016

Digital Holography and Microscopy参考文献 90被引用 70

一句话总结

本文综述了光学衍射断层扫描（ODT）作为一种定量、无标记的三维成像技术，在研究细胞病理生理学方面的应用。通过从多角度获取的定量相位图像重建细胞的复折射率分布，ODT实现了对细胞结构与动态过程的非侵入性、高分辨率三维可视化，为细胞力学、形态学以及细胞凋亡和癌症进展等疾病机制提供了新见解。

ABSTRACT

Three-dimensional imaging of biological cells is crucial for the investigation of cell biology, provide valuable information to reveal the mechanisms behind pathophysiology of cells and tissues. Recent advances in optical diffraction tomography (ODT) have demonstrated the potential for the study of various cells with its unique advantages of quantitative and label-free imaging capability. To provide insight on this rapidly growing field of research and to discuss its applications in biology and medicine, we present the summary of the ODT principle and highlight recent studies utilizing ODT with the emphasis on the applications to the pathophysiology of cells.

研究动机与目标

• 提供光学衍射断层扫描（ODT）原理及其在生物医学研究中应用的全面综述。
• 突出ODT在无需荧光标记的情况下实现对活细胞定量、非侵入性三维成像的独特优势。
• 讨论近期ODT在研究细胞病理生理过程（如细胞凋亡、细胞周期变化及癌细胞形态）中的应用。
• 弥合ODT技术与推动细胞生物学及临床诊断发展之间潜力的差距。

提出的方法

• ODT利用从多个照明角度获取的定量相位图像，重建样品的三维复折射率（CRI）分布。
• 该方法基于一阶Born近似建立线性逆散射模型，将测得的相位移与样品的折射率分布关联起来。
• 通过旋转样品台或角度光源实现多角度照明，从而实现三维CRI的断层重建。
• 重建算法采用迭代或直接反演技术求解逆问题，以恢复三维折射率分布图。
• 该技术通过共路干涉仪或数字全息术实现，以确保高相位稳定性和定量精度。
• 最终获得的三维折射率分布图可提供活细胞的定量形态学与结构信息，无需染色或标记。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学衍射断层扫描如何实现对活细胞无外源标记的定量三维成像？
• RQ2 与传统显微技术相比，ODT在研究细胞病理生理学方面具有哪些关键优势？
• RQ3 ODT如何揭示细胞凋亡或细胞周期进展过程中细胞形态与折射率的动态变化？
• RQ4 ODT在从细胞水平理解疾病机械与结构基础方面可发挥哪些作用？

主要发现

• ODT实现了对活细胞复折射率的高分辨率、三维定量成像，空间分辨率可达亚微米级。
• 该技术成功可视化了多种细胞类型（包括HeLa和U2OS细胞）的三维细胞核形态与细胞质结构。
• ODT对细胞凋亡过程中微小的折射率变化具有高灵敏度检测能力，如染色质浓缩与细胞核碎裂。
• 该方法揭示了细胞周期过程中动态的形态学变化，包括细胞核增大与染色质重排。
• ODT可提供细胞干重与体积的定量数据，实现对细胞生长与分裂的精确追踪。
• 近期研究表明，ODT可通过折射率异质性与结构异常，有效区分癌变与非癌变细胞。