空間と時間で細胞を見るー超解像顕微鏡法

・研究者たちは、光の回折を超えて観察できる新しい技術（PRISM）を開発している。

・超解像空間・時間イメージングにより、生細胞内の前例のない見解を捉えることができる。

過去数十年間、LAPMやSTORMなどの広視野蛍光顕微鏡法を使用して細胞内構造を観察してきました。これらの方法では、長い一連の数百や数千の生画像が必要になります。したがって、空間分解能を上げると、時間分解能が低下します。

現在、EPFL（スイス、ローザンヌの研究機関）の研究者たちは、超解像の空間的および時間的イメージング（宇宙と時間の両方で）を通じて生きた細胞内の前例のない見解を捉えることができるシステムを設計しました。

PRISM（Phase Retrieval Instrument with Super-resolution Microscopy（超解像顕微鏡を備えた位相回復装置））と名付けられた新しい顕微鏡プラットフォームは、光の回折を超えて観察できます。これは、3次元顕微鏡法と白色光3次元位相回復の新しい技術を統合しています。

蛍光超解像と分子特異性の空間分解能を高速で高感度の定量的位相イメージングと組み合わせ、マルチモーダル4次元イメージングを可能にします。

どのように4D細胞顕微鏡が機能するのか？

研究者たちは、フーリエフィルタリングを使用して白色光画像の配列から3D定量的位相を抽出しました。次に、3D部分コヒーレント画像形成からこの明視野深度分解位相イメージングについて説明しました

彼らは、z-変位強度のスタックから安定した細胞の高解像度3D位相データを取得することにより、その概念を実証しました。また、8面の平面を同時に取得するためのPRISMを開発しました。これは、2.5×50×50マイクロメートルの体積にわたって高速3D位相イメージングを実行できます。最後に、位相差顕微鏡と超解像度光学変動イメージング（SOFI）を使用して細胞のサンプルを3Dで順次画像化しました。

SOFIはほぼ1秒の生細胞の3Dイメージングをサポートします。さらに、分子パラメーターの定量的評価を提供し、高い標識密度を許容します。

簡単な言葉で言えば、PRISMは現在の広視野顕微鏡プラットフォームへのアドオンであり、

3D蛍光超解像度イメージングと3D定量的フェーズのシンプルで高速な実装を可能にします。結論として、この新しいシステムは、生細胞の時間的生理学と複雑な空間を観察するためのより良い機会を提供します。

技術的な詳細

ヘルムホルツ派動方程式に基づいて、この技法はウィーナ=ヒンチンの定理の枠組みに埋め込まれています。Ｚ軸に沿って位相データをデコードするプロセスは前方の弱い散乱干渉を計算することによって行われます。

彼らは取得した体積強度スタックから3D位相データを回復するための効率的なアルゴリズムを構築しました。高検出開口数と白色光ケーラー証明は、生きた細胞のスペックルのない高解像度で安定した定量的位相イメージングを提供します。さらに、シミュレーションにより、350×560ナノメートルの軸方向分解能が検証されました。

全体として、この手順により、往来の明視野顕微鏡をシンプルで高速かつ信頼性の高い3Ｄ位相顕微鏡にアップグレードできます。生命科学と生物学における数多くの調査と応用への期待に応えるものと考えられています。