وجد باحثون في جامعة طوكيو طريقة لتعزيز حساسية تصوير الطور الكمي الحالي بحيث يمكن رؤية جميع الهياكل داخل الخلايا الحية في وقت واحد ، من الجزيئات الصغيرة إلى الهياكل الكبيرة. يُظهر هذا التمثيل الفني للتقنية نبضات من الضوء المنحوت (أخضر ، علوي) تنتقل عبر خلية (مركز) ، وتخرج (أسفل) حيث يمكن تحليل التغييرات في موجات الضوء وتحويلها إلى صورة أكثر تفصيلاً. الائتمان: s-graphics.co.jp، CC BY-NC-ND

يمكن أن تؤدي الترقية إلى تصوير المرحلة الكمية إلى زيادة وضوح الصورة من خلال توسيع النطاق الديناميكي.

طور الخبراء في الفيزياء الضوئية طريقة جديدة لرؤية داخل الخلايا الحية بمزيد من التفصيل باستخدام تقنية الفحص المجهري الحالية ودون الحاجة إلى إضافة بقع أو أصباغ فلورية.

نظرًا لأن الخلايا الفردية شبه شفافة ، يجب أن تكتشف الكاميرات المجهرية الاختلافات الدقيقة للغاية في الضوء الذي يمر عبر أجزاء من الخلية. تُعرف هذه الاختلافات بمرحلة الضوء. تقتصر مستشعرات صور الكاميرا على مقدار اختلاف طور الضوء الذي يمكنها اكتشافه ، ويشار إليه باسم النطاق الديناميكي.

قال الأستاذ المساعد Takuro Ideguchi من معهد جامعة طوكيو لعلوم وتكنولوجيا الفوتون: “لرؤية المزيد من التفاصيل باستخدام مستشعر الصورة نفسه ، يجب علينا توسيع النطاق الديناميكي حتى نتمكن من اكتشاف تغيرات طور أصغر في الضوء”.

طور فريق البحث تقنية لأخذ تعريضين لقياس التغيرات الكبيرة والصغيرة في طور الضوء بشكل منفصل ثم ربطهما بسلاسة لإنشاء صورة نهائية مفصلة للغاية. قاموا بتسمية طريقتهم الديناميكية التكيفية بتصوير الطور الكمي (ADRIFT-QPI) ونشروا نتائجهم مؤخرًا في الضوء: العلم والتطبيقات.

تم التقاط صور لخرز السيليكا باستخدام تصوير الطور الكمي التقليدي (أعلى) وصورة أوضح تم إنتاجها باستخدام طريقة الفحص المجهري ADRIFT-QPI الجديدة (أسفل) التي طورها فريق بحثي في ​​جامعة طوكيو. الصور الموجودة على اليسار عبارة عن صور للمرحلة الضوئية والصور الموجودة على اليمين تُظهر تغير الطور البصري بسبب امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء (الخاصة الجزيئية) بواسطة حبات السيليكا. في هذا العرض التوضيحي لإثبات المفهوم ، حسب الباحثون أنهم حققوا حساسية أكبر بحوالي 7 مرات بواسطة ADRIFT-QPI من تلك التي حققها QPI التقليدي. الائتمان: صورة بواسطة Toda et al. ، CC-BY 4.0

“أسلوبنا ADRIFT-QPI لا يحتاج إلى ليزر خاص ، ولا مجهر خاص أو مستشعرات صور ؛ قال إديغوتشي: “يمكننا استخدام الخلايا الحية ، ولسنا بحاجة إلى أي بقع أو مضان ، وهناك فرصة ضئيلة للغاية للتسمم الضوئي”.

تشير السمية الضوئية إلى قتل الخلايا بالضوء ، والتي يمكن أن تصبح مشكلة مع بعض تقنيات التصوير الأخرى ، مثل التصوير الفلوري.

يرسل تصوير الطور الكمي نبضة من ورقة مسطحة من الضوء باتجاه الخلية ، ثم يقيس تحول طور موجات الضوء بعد مرورها عبر الخلية. ثم يعيد تحليل الكمبيوتر بناء صورة الهياكل الرئيسية داخل الخلية. لقد ابتكر Ideguchi ومعاونوه سابقًا طرقًا أخرى لتحسين الفحص المجهري الكمي.

يعتبر تصوير الطور الكمي أداة قوية لفحص الخلايا الفردية لأنه يسمح للباحثين بإجراء قياسات مفصلة ، مثل تتبع معدل نمو الخلية بناءً على التحول في موجات الضوء. ومع ذلك ، فإن الجانب الكمي للتقنية لديه حساسية منخفضة بسبب قدرة التشبع المنخفضة لمستشعر الصورة ، لذا فإن تتبع الجسيمات النانوية داخل الخلايا وحولها غير ممكن باستخدام النهج التقليدي.

صورة قياسية (أعلى) تم التقاطها باستخدام التصوير الكمي التقليدي وصورة أوضح (أسفل) تم إنتاجها باستخدام طريقة الفحص المجهري ADRIFT-QPI الجديدة التي طورها فريق بحثي في ​​جامعة طوكيو. الصور الموجودة على اليسار عبارة عن صور للمرحلة الضوئية والصور الموجودة على اليمين تُظهر تغير الطور البصري بسبب امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (جزيئي خاص) بشكل أساسي بواسطة البروتين. يشير السهم الأزرق إلى حافة النواة ، بينما يشير السهم الأبيض إلى النواة (بنية تحتية داخل النواة) ، بينما تشير الأسهم الخضراء إلى جسيمات كبيرة أخرى. الائتمان: صورة بواسطة Toda et al. ، CC-BY 4.0

تغلبت طريقة ADRIFT-QPI الجديدة على حدود النطاق الديناميكي لتصوير الطور الكمي. أثناء ADRIFT-QPI ، تلتقط الكاميرا تعريضين وتنتج صورة نهائية ذات حساسية أكبر سبع مرات من صور المجهر الكمي التقليدي.

يتم إنتاج التعرض الأول من خلال التصوير الكمي التقليدي للطور – يتم نبض ورقة مسطحة من الضوء نحو العينة ويتم قياس تحولات طور الضوء بعد مرورها عبر العينة. يقوم برنامج تحليل صور الكمبيوتر بتطوير صورة للعينة بناءً على التعرض الأول ، ثم يصمم بسرعة واجهة موجة منحوتة من الضوء تعكس تلك الصورة للعينة. ثم يولد مكون منفصل يسمى جهاز تشكيل واجهة الموجة هذا “نحت الضوء” بضوء أعلى كثافة لإضاءة أقوى ويوجهه نحو العينة لتعرض ثانٍ.

إذا أنتج التعريض الأول صورة تمثل تمثيلًا مثاليًا للعينة ، فإن موجات الضوء المنحوتة حسب الطلب من التعريض الثاني ستدخل العينة في مراحل مختلفة ، وتمر عبر العينة ، ثم تظهر كصفيحة ضوئية مسطحة ، مما يتسبب في الكاميرا لا ترى سوى صورة مظلمة.

“هذا هو الشيء المثير للاهتمام: نقوم نوعًا ما بمحو صورة العينة. نريد ألا نرى شيئًا تقريبًا. وأوضح إيديغوشي ، أننا نقوم بإلغاء الهياكل الكبيرة حتى نتمكن من رؤية الهياكل الأصغر بتفصيل كبير.

في الواقع ، يكون التعريض الأول غير كامل ، لذلك تظهر موجات الضوء المنحوتة بانحرافات طفيفة.

يكشف التعريض الثاني عن اختلافات طفيفة في طور الضوء “تلاشت” بسبب الاختلافات الأكبر في التعريض الأول. يمكن قياس فرق طور الضوء الصغير المتبقي بحساسية متزايدة بسبب الإضاءة الأقوى المستخدمة في التعريض الثاني.

يعيد تحليل الكمبيوتر الإضافي بناء صورة نهائية للعينة مع نطاق ديناميكي موسع من نتيجتي القياس. في عروض إثبات المفهوم ، يقدر الباحثون أن ADRIFT-QPI ينتج صورًا بحساسية أكبر بسبع مرات من التصوير الكمي التقليدي.

يقول Ideguchi أن الفائدة الحقيقية لـ ADRIFT-QPI هي قدرته على رؤية الجسيمات الدقيقة في سياق الخلية الحية بأكملها دون الحاجة إلى أي ملصقات أو بقع.

“على سبيل المثال ، يمكن الكشف عن إشارات صغيرة من جسيمات نانوية مثل الفيروسات أو الجسيمات التي تتحرك داخل الخلية وخارجها ، مما يسمح بالمراقبة المتزامنة لسلوكها وحالة الخلية” ، قال إديغوتشي.

المرجع: “التحول الديناميكي التكيفي (ADRIFT) التصوير الكمي للمرحلة” بقلم K. Toda و M. Tamamitsu و T. Ideguchi ، 31 ديسمبر 2020 ، الضوء: العلم والتطبيقات.
DOI: 10.1038 / s41377-020-00435-z

التمويل: الوكالة اليابانية للعلوم والتكنولوجيا ، الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم.