Onderzoekers hebben geavanceerde beeldvormende benaderingen gebruikt om superresolutiemicroscopie te bereiken met ongekende snelheden. De nieuwe methode moet het mogelijk maken om de details vast te leggen van processen die plaatsvinden in levende cellen met snelheden die voorheen niet mogelijk waren.

Superresolutietechnieken, vaak nanoscopie genoemd, resolutie op nanoschaal bereiken door de diffractielimiet van licht te overwinnen. Hoewel nanoscopie beelden van individuele moleculen in cellen kan vastleggen, het is moeilijk te gebruiken met levende cellen omdat er honderden of duizenden beeldframes nodig zijn om een ​​beeld te reconstrueren - een proces dat te traag is om snel veranderende dynamiek vast te leggen.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society (OSA) voor onderzoek met hoge impact, onderzoekers van de Chinese Academie van Wetenschappen beschrijven hoe ze de onconventionele beeldvormingsbenadering gebruikten die bekend staat als spookbeeldvorming om de beeldsnelheid van nanoscopie te verbeteren. De combinatie produceert nanometerresolutie met behulp van orden van grootte minder beeldvormingsframes dan traditionele nanoscopietechnieken.

"Onze beeldvormingsmethode kan mogelijk de dynamiek onderzoeken die optreedt op milliseconden tijdschalen in subcellulaire structuren met een ruimtelijke resolutie van tientallen nanometers - de ruimtelijke en temporele resolutie waarbij biologische processen plaatsvinden, " zei Zhongyang Wang, co-leider van het onderzoeksteam.

Technieken combineren voor snellere beeldvorming

De nieuwe aanpak is gebaseerd op stochastische optische reconstructiemicroscopie (STORM), dat was een van de drie superresolutietechnieken die in 2014 met Nobelprijzen werden bekroond. STORM, die ook wel foto-geactiveerde lokalisatiemicroscopie (PALM) wordt genoemd, is een breedveldtechniek die fluorescerende labels gebruikt die schakelen tussen lichtgevende (aan) en donkere (uit) toestanden. Het verwerven van honderden of duizenden snapshots, elk van de subset van fluorescerende labels die op een bepaald moment aan zijn, maakt het mogelijk de locatie van elk molecuul te bepalen en te gebruiken om een ​​fluorescentiebeeld te reconstrueren.

De onderzoekers wendden zich tot ghost imaging om het STORM-beeldvormingsproces te versnellen. Ghost imaging vormt een beeld door een lichtpatroon dat interageert met het object te correleren met een referentiepatroon dat dat niet doet. individueel, de lichtpatronen bevatten geen betekenisvolle informatie over het object. De onderzoekers gebruikten ook compressieve beeldvorming, een computationele benadering die beeldreconstructie mogelijk maakt met minder belichtingen omdat het een algoritme gebruikt om de ontbrekende informatie in te vullen.

"Terwijl STORM een lage dichtheid van fluorescerende labels en veel beeldframes vereist, onze aanpak kan een afbeelding met een hoge resolutie creëren met zeer weinig frames en een hoge dichtheid aan fluoroforen, " zei co-leider van onderzoeksteam Shensheng Han. "Het heeft ook geen complexe verlichting nodig, die helpt bij het verminderen van fotobleken en fototoxiciteit die dynamische biologische processen en levende cellen kunnen schaden."

Verbetering van de beeldefficiëntie

Om de nieuwe techniek te implementeren, de onderzoekers gebruikten een optische component die bekend staat als een willekeurige fasemodulator om fluorescentie van het monster om te zetten in een willekeurig spikkelpatroon. Door de fluorescentie op deze manier te coderen, kon elke pixel van een zeer snelle CMOS-camera de lichtintensiteit van het hele object in een enkel frame verzamelen. Om het beeld te vormen via spookbeeldvorming en compressieve beeldvorming, deze lichtintensiteit werd in één stap gecorreleerd met een referentielichtpatroon. Het resultaat was een efficiëntere beeldacquisitie en een vermindering van het aantal frames dat nodig is om een ​​afbeelding met een hoge resolutie te vormen.

De onderzoekers testten de techniek door er een ring van 60 nanometer mee af te beelden. De nieuwe nanoscopie-aanpak zou de ring kunnen oplossen met slechts 10 beeldframes, terwijl traditionele STORM-benaderingen tot 4000 frames nodig hadden om hetzelfde resultaat te bereiken. De nieuwe aanpak loste ook een liniaal van 40 nanometer op met 100 beeldframes.

"We hopen dat deze methode kan worden toegepast op een verscheidenheid aan fluorescerende monsters, inclusief die welke een zwakkere fluorescentie vertonen dan die gebruikt in dit onderzoek, " zei Wang. De onderzoekers willen de techniek ook sneller maken om beeldvorming met videosnelheid met een groot gezichtsveld te bereiken en zijn van plan deze te gebruiken om 3D- en kleurenbeelden te verkrijgen.