博覽：2021Light Sci Appl植物細(xì)胞的脫水推動(dòng)細(xì)胞核旋轉(zhuǎn)用于實(shí)現(xiàn)3D相襯層析成像

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博覽：2021Light Sci Appl植物細(xì)胞的脫水推動(dòng)細(xì)胞核旋轉(zhuǎn)用于實(shí)現(xiàn)3D相襯層析成像

技術(shù)背景：

透明生物樣品的光學(xué)顯微鏡成像可以大體分為無標(biāo)記和有標(biāo)記這兩類飒箭。兩者都致力于產(chǎn)生一種對(duì)比度機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)所用波長照明下透明樣品結(jié)構(gòu)的可視化蜒灰∠阴澹基于標(biāo)記的成像依賴于染色劑和各種造影劑在某些感興趣的結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生熒光。無標(biāo)記成像是非侵入性的强窖，以特異性為代價(jià)簡化了樣品制備凸椿，并避免了造影劑的任何可能的毒副作用。定量相位成像是無標(biāo)記成像的一種翅溺，它依賴樣品和周圍介質(zhì)的相位差(表現(xiàn)為折射率差)對(duì)透明結(jié)構(gòu)成像脑漫。數(shù)字全息就是這樣一種常用的無標(biāo)記手段，樣品的數(shù)字全息圖可以在焦平面外采集未巫，然后在后處理中通過數(shù)值求解模擬波前傳播過程的衍射積分進(jìn)行數(shù)字聚焦窿撬。數(shù)字全息已在生物學(xué)、診斷學(xué)和醫(yī)學(xué)劈伴、微流控和片上實(shí)驗(yàn)室成像(lab on a chip)、三維追蹤、細(xì)胞力學(xué)跛璧、即時(shí)檢驗(yàn)(point of care testing)严里、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

相襯層析(phase contrast tomography追城，PCT)可以從不同方向探測(cè)樣品刹碾，從而測(cè)量出樣品的三維折射率分布。多方向探測(cè)可通過移動(dòng)光源座柱、旋轉(zhuǎn)樣品的等方式獲得樣品不同方向的信息迷帜。

當(dāng)前不足：

當(dāng)前基于數(shù)字全息的PCT需要在機(jī)械或光電激光束掃描設(shè)備的情況下完成三維成像。

文章創(chuàng)新點(diǎn)：

基于此色洞，意大利那不勒斯費(fèi)德里克二世大學(xué)的Zhe Wang(第一作者)和Pietro Ferraro(通訊作者)等人利用植物細(xì)胞在脫水過程中會(huì)引起細(xì)胞核顯著旋轉(zhuǎn)的特性戏锹，結(jié)合基于數(shù)字全息的PCT，實(shí)現(xiàn)了無需額外掃描機(jī)制的洋蔥表皮細(xì)胞核三維層析成像火诸。

原理解析：

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置锦针。如圖1所示，所用為Mach-Zehnder干涉光路置蜀。激光器出光經(jīng)過第一個(gè)半波片(HWP1)和偏振分光棱鏡(PBS)組合奈搜，分成物參光能量比可調(diào)(通過旋轉(zhuǎn)HWP1實(shí)現(xiàn))的物光和參考光。參考光路有第二個(gè)半波片(HWP1),用于調(diào)整參考光的偏振方向盯荤，使得最終的干涉對(duì)比度最大馋吗。物光和參考光的光路使用相同的物鏡，用于抵消物鏡引入的相位畸變廷雅。最終物光和參考光經(jīng)過分光棱鏡(BS,非偏振敏感)合束耗美，被相機(jī)接收。通過旋轉(zhuǎn)BS以改變物光和參考光之間的夾角航缀，以形成離軸干涉干涉光路。激光器輸出功率20mW(MSL-III-532,長春新產(chǎn)業(yè))堰怨，25X/0.4物鏡(GCO-2114MO芥玉，大恒新紀(jì)元)。

(2) 植物細(xì)胞誘導(dǎo)脫水引起細(xì)胞核在一個(gè)大的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)备图。植物細(xì)胞有細(xì)胞壁灿巧，原生質(zhì)體被細(xì)胞壁給包圍著。原生質(zhì)體包含了細(xì)胞膜揽涮、細(xì)胞核抠藕、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器。植物細(xì)胞中一個(gè)典型的細(xì)胞器是液泡蒋困，這是一個(gè)由液泡膜包裹著儲(chǔ)存細(xì)胞液的容器盾似。一個(gè)成熟的植物細(xì)胞雪标，液泡通常占據(jù)了80%到90%之間的細(xì)胞體積零院。通過將環(huán)境濕度降至35%溉跃，保持20℃的常溫，可以使得液泡內(nèi)的細(xì)胞液逐漸蒸發(fā)告抄，液泡逐漸縮小的同時(shí)會(huì)引起細(xì)胞核的旋轉(zhuǎn)撰茎，這個(gè)過程很緩慢，用于PCT觀察的時(shí)間窗口為7個(gè)小時(shí)打洼，在這段時(shí)間內(nèi)不會(huì)對(duì)植物細(xì)胞造成不可逆的傷害龄糊。

(3) 旋轉(zhuǎn)角估計(jì)。簡單而言募疮，將細(xì)胞核看作一個(gè)橢球體炫惩，橢球體有一個(gè)沿x軸的長軸，一個(gè)沿y方向的最大短軸酝锅，一個(gè)沿z方向的最小短軸诡必，如圖2c,d。橢球體繞x軸滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)搔扁，并沿著z軸投影爸舒，長軸長度不變。短軸隨著旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化稿蹲，根據(jù)短軸的角度就可以知道旋轉(zhuǎn)角度扭勉，如圖2e,h。

(4) 濾波反投影法三維層析重建涂炎。濾波反投影是一種很成熟的算法，此文對(duì)于重建只是一筆帶過设哗。根據(jù)全息重建得到的相位圖及其相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角唱捣，可以使用濾波反投影法獲得植物細(xì)胞核的3D層析圖。有一個(gè)現(xiàn)成的python包可以借鑒此算法网梢，見https://neutompy-toolbox.readthedocs.io/en/latest/index.html

視頻1：恢復(fù)細(xì)胞核滾動(dòng)角的方法震缭，用于3D相襯層析成像(PCT)

視頻2：兩個(gè)植物細(xì)胞核的3D層析重建

視頻3：在紅色激光下捕獲的四個(gè)植物細(xì)胞核的3D層析重建

參考文獻(xiàn)：Wang, Z., Bianco, V., Pirone, D. et al. Dehydration of plant cells shoves nuclei rotation allowing for 3D phase-contrast tomography. Light Sci Appl 10, 187 (2021).

DOI：https://doi.org/10.1038/s41377-021-00626-2

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