Изследователите развиват микрофлуидна холографска цитотомография

Екип от изследователи наскоро публикува статия в списанието Оптика и лазери в техниката което демонстрира осъществимостта на използването на базирана на цифрова холография триизмерна (3D) томографска поточна цитометрия за високопроизводителен клетъчен анализ.

Проучвания: За хидродинамичните взаимни взаимодействия между клетките за високопроизводителна микрофлуидна холографска цитотомография. Кредит за изображение: pinkeyes/Shutterstock.com

Ограничения на образната проточна цитометрия

Образната поточна цитометрия често се използва като стабилна техника за измерване в здравеопазването, науките за живота и клиничната диагностика. Той съчетава спектроскопска и оптична информация с висока разделителна способност с конвенционална технология за поточна цитометрия.

Модулите за флуоресценция и изображения в светло поле обикновено записват клетки, протичащи в микрофлуиден канал, за да получат техните химични и морфологични прозрения чрез флуоресценция и колокализация на оптичен сигнал.

Въпреки че реализуемата пропускателна способност на системите за поточна цитометрия за изображения е до десетки хиляди клетки в секунда, тези системи са базирани на флуоресцентен анализ и осигуряват само една двуизмерна (2D) проекция на 3D обект.

Дигиталната холография като алтернатива на образната поточна цитометрия

Количественото фазово изобразяване (QPI) наскоро беше предложено като евтина алтернатива на системите за поточна цитометрия за изображения за бързо откриване на клетки. Дигиталната холография, неразрушителна и безконтактна 3D микроскопска техника, се счита за ефективен инструмент за изобразяване на клетки чрез QPI в биомедицински приложения.

По време на конвенционалното цифрово холографско клетъчно изобразяване, клетките се съхраняват в петриеви панички, за да се завършат необходимите записи чрез тяхното неоцветено наблюдение в реално време, специално за изучаване на процеса на клетъчно делене, клетъчния лекарствен отговор и клетъчната морфогенеза.

Изображението във фокус на всяка клетка може да бъде извлечено лесно поради способността на цифровата холография да получи цифров фокус след процеса на запис.

Въпреки това, ограничен брой клетки могат да бъдат наблюдавани с помощта на този тип микроскопска техника, което е значителен недостатък. Микрофлуидните канали могат да се комбинират с базирано на цифрова холография клетъчно изображение, за да се преодолее недостатъкът.

Базирана на цифрова холография 3D томографска поточна цитометрия за постигане на високопроизводителен клетъчен анализ

Опто-флуидната холографска микроскопия привлече значително внимание през последното десетилетие, за да отговори на изискванията на холографската поточна цитометрия, високопрецизна техника за изобразяване на клетъчен поток с висока производителност.

В условия на поточна цитометрия, използването на дигитална холография като модул за изображения може да елиминира ограниченията на броя на наблюденията на клетките поради QPI без етикети и възможностите за многократно префокусиране.

Комбинацията между поточна цитометрия и QPI се използва ефективно за решаващи биомедицински приложения, като идентифициране на ракови клетки и класификация на човешки левкемични клетки. Развитието на базирана на клетъчно въртене поточна цитометрия за постигане на 3D фазово контрастна томография наскоро отвори нова възможност за томография.

При този подход въртящото се поведение на клетката замества механичното сканиране по време на цифров холографски запис, за да се постигне 3D фазово-контрастна томография в конвенционална холографска микроскопска система, без да се използва каквато и да е конкретна настройка. Тази стратегия може ефективно да реконструира 3D картата на индекса на пречупване/3D фазово контрастната томограма на всяка течаща клетка, като циркулиращи туморни клетки и кръвни клетки.

Пълното завъртане на всяка клетка в зрителното поле (FOV) трябва да бъде осигурено, за да се постигне 3D фазово-контрастна томография на течащите клетки в микрофлуиден канал. За разлика от конвенционалните томографски системи за изобразяване, фазово-контрастната томография на потока трябва да оценява клетките по протежение на техните пътища, което прави подробното разбиране на клетъчната микрофлуидна динамика от съществено значение.

Въпреки че няколко клетки могат да бъдат анализирани в едно и също FOV, за да се увеличи пропускателната способност на системата, досега не са правени изследвания за оценка на ефектите от хидродинамичните взаимодействия върху въртенето на много съседни клетки в томографски поточен цитометър, за да се определи максималната постижима производителност.

Изследване на ефективността на базирана на дигитална холография 3D томографска поточна цитометрия

В това проучване изследователите са изследвали хидродинамичните взаимодействия между съседните въртящи се клетки в рамките на микрофлуиден канал, за да изследват въздействието върху динамиката на движение, когато клетките са били близо една до друга, чрез извършване на числена и експериментална симулация на динамиката на течността.

Изследователите извършиха експерименти, използвайки силно концентрирани проби, за да изобразят едновременно десетки клетки в FOV. Използван е инструмент за цифрова холография за възстановяване и анализ на клетъчната динамика, включително въртене, скорост и 3D проследяване на позицията на клетката, в микрофлуиден експериментален сценарий, наблюдаван при томография.

Способността на дигиталната холография да извлича числено 3D клетъчните позиции направи техниката специално подходяща за комбиниране с модалност на поточна цитометрия. Дигиталната холография беше използвана за събиране на експерименталните данни, необходими за изследване на локалните промени в свойствата на потока, дължащи се на хидродинамичните взаимодействия между съседните клетки.

Най-лошият случай в рамките на записаната холографска последователност, където група от пет клетки, протичащи много съседни, е моделирана за количествено определяне на хидродинамичните взаимодействия между клетките чрез интегриране на числените симулации с експериментални наблюдения.

Изследвания

В изобразеното FOV всички клетки извършиха повече от едно пълно завъртане, по време на което бяха изместени на по-малко от 200 микрометра в посоката на потока. Това наблюдение от симулацията беше в съответствие с експерименталното наблюдение, което показа, че необходимата пълна ротация на клетката може да бъде получена в рамките на FOV на оста y от 235 микрометра.

Въпреки че хидродинамичните взаимодействия доведоха до количествен ефект върху ротационното поведение на клетката, клетките все още можеха да завършат необходимата ротация, без да бъдат значително повлияни от съседните клетки в FOV.

Клетъчната деформация, дължаща се на хидродинамични взаимодействия, беше напълно незначителна, което позволи надеждна реконструкция на 3D томограмите на индекса на пречупване на петте анализирани клетки. Горната граница на пропускателната способност на холографския поточен цитотомограф беше определена чрез разширяване на този локален анализ до целия FOV.

Пропускателната способност на холографското цито-томографско измерване беше значително увеличена в сравнение с конвенционалната томографска поточна цитометрия, тъй като повече клетки можеха да бъдат анализирани едновременно, тъй като взаимодействията между съседните клетки бяха незначителни.

Ху-сечението на микрофлуидния канал, изобразено от цифровия холографски микроскоп, е с размери 200 микрометра × 235 микрометра. Пропускателната способност на системата може да бъде увеличена до 50 клетки на кадър чрез изрязване на централен участък на анализ от 160 микрометра × 215 микрометра от xy-секция на микрофлуидния канал и като се вземе предвид най-лошият случай пет клетки, заети от 60 микрометра × 60 микрометра област. Могат да бъдат записани максимум 30 томограми в активната зона от 160 микрометра × 215 микрометра, тъй като на всяка клетка са били необходими средно 40-45 секунди, за да премине FOV.

Пропускателната способност може да бъде подобрена допълнително чрез увеличаване на скоростта на потока, тъй като не е наблюдавана механична деформация поради хидродинамични взаимодействия. Едно пълно завъртане беше достатъчно за реконструкцията на томограмата.

В експерименталните резултати клетката е претърпяла средно 1,5 завъртания и може да отнеме 25-30 секунди, за да претърпи пълно завъртане в рамките на наблюдаваното FOV. Следователно, горната граница на потенциалната пропускателна способност може да бъде увеличена до 50-60 томограма в секунда чрез задаване на правилната скорост на потока.

Ъгловото вземане на проби може да бъде намалено чрез внедряване на по-ефективни томографски алгоритми или увеличаване на кадровата честота на камерата за подобряване на томографската точност.

За да обобщим, констатациите от това проучване показват, че базираната на цифрова холография 3D томографска поточна цитометрия може да осигури високопроизводителен клетъчен анализ. Необходими са обаче повече изследвания за бъдещото развитие на системата, за да я приеме в биомедицински приложения.

Препратки

Pirone, D., Memmolo, P., Xin, L. et al. (2022) За хидродинамичните взаимни взаимодействия между клетките за високопроизводителна микрофлуидна холографска цитотомография. Оптика и лазери в техниката. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816622002433

Отказ от отговорност: Мненията, изразени тук, са тези на автора, изразени в лично качество и не представляват непременно възгледите на AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, собственикът и операторът на този уебсайт. Този отказ от отговорност е част от Правилата и условията за използване на този уебсайт.