Name: Markierungsfreie, hochauflösende 3D-Bildgebung und maschinelle Lernanalyse von Darmorganoiden mittels Low-Coherence-Holotomographie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-08-12T13:15:00.000+00:00
Duration: 10 min 40 s
Description: Erfahren Sie die Low-Coherence-Holotomographie für hochauflösende, markierungsfreie 3D-Bildgebung von Darmorganoiden mit KI-gestützter Analyse. Diese Methode ermöglicht nicht-invasive Echtzeitüberwachung biophysikalischer Veränderungen.

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<ol><li>Kim, J., Koo, B. K., Knoblich, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+organoids%3A+model+systems+for+human+biology+and+medicine%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Mol+Cell+Biol%22%5BJournal%5D)">Human organoids: model systems for human biology and medicine.</a> Nat Rev Mol Cell Biol. 21 (10), 571-584 (2020).</li>
<li>Schwank, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+repair+of+CFTR+by+CRISPR%2FCas9+in+intestinal+stem+cell+organoids+of+cystic+fibrosis+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+stem+cell%22%5BJournal%5D)">Functional repair of CFTR by CRISPR/Cas9 in intestinal stem cell organoids of cystic fibrosis patients.</a> Cell stem cell. 13 (6), 653-658 (2013).</li>
<li>Arjmand, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advancement+of+organoid+technology+in+regenerative+medicine%5BTitle%5D)+AND+%22Regen+Eng+Transl+Med%22%5BJournal%5D)">Advancement of organoid technology in regenerative medicine.</a> Regen Eng Transl Med. 9 (1), 83-96 (2023).</li>
<li>Zhang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patch+grafting+of+organoids+of+stem%2Fprogenitors+into+solid+organs+can+correct+genetic-based+disease+states%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Patch grafting of organoids of stem/progenitors into solid organs can correct genetic-based disease states.</a> Biomaterials. 288, 121647(2022).</li>
<li>Hofer, M., Lutolf, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+organoids%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Mater%22%5BJournal%5D)">Engineering organoids.</a> Nat Rev Mater. 6 (5), 402-420 (2021).</li>
<li>Park, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Artificial+intelligence-enabled+quantitative+phase+imaging+methods+for+life+sciences%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Meth%22%5BJournal%5D)">Artificial intelligence-enabled quantitative phase imaging methods for life sciences.</a> Nat Meth. 20 (11), 1645-1660 (2023).</li>
<li>Fei, K., Zhang, J., Yuan, J., Xiao, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Present+application+and+perspectives+of+organoid+imaging+technology%5BTitle%5D)+AND+%22Bioengineering%22%5BJournal%5D)">Present application and perspectives of organoid imaging technology.</a> Bioengineering. 9 (3), 121(2022).</li>
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<li>Huisken, J., Swoger, J., Del Bene, F., Wittbrodt, J., Stelzer, E. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+sectioning+deep+inside+live+embryos+by+selective+plane+illumination+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Optical sectioning deep inside live embryos by selective plane illumination microscopy.</a> Science. 305 (5686), 1007-1009 (2004).</li>
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<li>Kopper, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+organoid+platform+for+ovarian+cancer+captures+intra-and+interpatient+heterogeneity%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Med%22%5BJournal%5D)">An organoid platform for ovarian cancer captures intra-and interpatient heterogeneity.</a> Nat Med. 25 (5), 838-849 (2019).</li>
<li>Renner, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+fully+automated+high-throughput+workflow+for+3D-based+chemical+screening+in+human+midbrain+organoids%5BTitle%5D)+AND+%22elife%22%5BJournal%5D)">A fully automated high-throughput workflow for 3D-based chemical screening in human midbrain organoids.</a> elife. 9, e52904(2020).</li>
<li>Laperrousaz, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+transfection+of+clonal+organoids+in+Matrigel+microbeads%3A+a+promising+approach+toward+organoid-based+genetic+screens%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">Direct transfection of clonal organoids in Matrigel microbeads: a promising approach toward organoid-based genetic screens.</a> Nucl Acids Res. 46 (12), e70-e70 (2018).</li>
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<li>Kim, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+species+identification+of+pathogenic+bacteria+from+a+minute+quantity+exploiting+three-dimensional+quantitative+phase+imaging+and+artificial+neural+network%5BTitle%5D)+AND+%22Light+Sci+Appl%22%5BJournal%5D)">Rapid species identification of pathogenic bacteria from a minute quantity exploiting three-dimensional quantitative phase imaging and artificial neural network.</a> Light Sci Appl. 11 (1), 190(2022).</li>
<li>Hugonnet, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiscale+label-free+volumetric+holographic+histopathology+of+thick-tissue+slides+with+subcellular+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Photon%22%5BJournal%5D)">Multiscale label-free volumetric holographic histopathology of thick-tissue slides with subcellular resolution.</a> Adv Photon. 3 (2), 026004-026004 (2021).</li>
<li>Lee, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-term+three-dimensional+high-resolution+imaging+of+live+unlabeled+small+intestinal+organoids+via+low-coherence+holotomography%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Mol+Med%22%5BJournal%5D)">Long-term three-dimensional high-resolution imaging of live unlabeled small intestinal organoids via low-coherence holotomography.</a> Exp Mol Med. 56 (10), 2162-2170 (2024).</li>
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<li>Berg, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ilastik%3A+interactive+machine+learning+for+%28bio%29+image+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Meth%22%5BJournal%5D)">Ilastik: interactive machine learning for (bio) image analysis.</a> Nat Meth. 16 (12), 1226-1232 (2019).</li>
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<li>Zhao, H., Brown, P. H., Schuck, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+distribution+of+protein+refractive+index+increments%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">On the distribution of protein refractive index increments.</a> Biophys J. 100 (9), 2309-2317 (2011).</li>
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<li>Popescu, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+imaging+of+cell+mass+and+growth+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Am+J+Physiol+Cell+Physiol%22%5BJournal%5D)">Optical imaging of cell mass and growth dynamics.</a> Am J Physiol Cell Physiol. 295 (2), C538-C544 (2008).</li>
<li>Shin, S., Kim, D., Kim, K., Park, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Super-resolution+three-dimensional+fluorescence+and+optical+diffraction+tomography+of+live+cells+using+structured+illumination+generated+by+a+digital+micromirror+device%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Super-resolution three-dimensional fluorescence and optical diffraction tomography of live cells using structured illumination generated by a digital micromirror device.</a> Sci Rep. 8 (1), 9183(2018).</li>
<li>Kim, Y. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+three-dimensional+quantitative+phase+imaging+and+fluorescence+microscopy+for+the+study+of+cell+pathophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Yale+Biol+Med%22%5BJournal%5D)">Combining three-dimensional quantitative phase imaging and fluorescence microscopy for the study of cell pathophysiology.</a> Yale Biol Med. 91 (3), 267(2018).</li>
<li>Liu, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+dual-contrast+three-dimensional+imaging+in+live+cells+via+optical+diffraction+tomography+and+fluorescence%5BTitle%5D)+AND+%22Photonics+Res%22%5BJournal%5D)">Simultaneous dual-contrast three-dimensional imaging in live cells via optical diffraction tomography and fluorescence.</a> Photonics Res. 7 (9), 1042-1050 (2019).</li>
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<li>Chowdhury, S., Eldridge, W. J., Wax, A., Izatt, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structured+illumination+multimodal+3D-resolved+quantitative+phase+and+fluorescence+sub-diffraction+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Biomed+Optics+Exp%22%5BJournal%5D)">Structured illumination multimodal 3D-resolved quantitative phase and fluorescence sub-diffraction microscopy.</a> Biomed Optics Exp. 8 (5), 2496-2518 (2017).</li>
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<li>Oh, C., Hugonnet, H., Lee, M., Park, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+aberration+correction+for+enhanced+thick+tissue+imaging+exploiting+aberration+matrix+and+tilt-tilt+correlation+from+the+optical+memory+effect%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Comm%22%5BJournal%5D)">Digital aberration correction for enhanced thick tissue imaging exploiting aberration matrix and tilt-tilt correlation from the optical memory effect.</a> Nat Comm. 16 (1), 1685(2025).</li>
<li>Yasuhiko, O., Takeuchi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-silico+clearing+approach+for+deep+refractive+index+tomography+by+partial+reconstruction+and+wave-backpropagation%5BTitle%5D)+AND+%22Light+Sci+Appl%22%5BJournal%5D)">In-silico clearing approach for deep refractive index tomography by partial reconstruction and wave-backpropagation.</a> Light Sci Appl. 12 (1), 101(2023).</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>48-Well-Platte&nbsp;</td><td>Corning</td><td>3548</td><td>Kulturschale</td></tr><tr><td>Lösung zur Zellrückgewinnung&nbsp;</td><td>Corning</td><td>354253</td><td>Abbau von Matrigel&nbsp;</td></tr><tr><td>Cisplatin</td><td>Supelco</td><td>PHR1624</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Dimethylsulfoxid (DMSO)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Nr. D2650</td><td>Fahrzeug</td></tr><tr><td>Eppendorf Tube</td><td>Corning</td><td>MCT-175-C-S</td><td>N/A</td></tr><tr><td>HTX-Verarbeitungsserver</td><td>Tomocube Inc., Korea</td><td>N/A</td><td>Server zur Datenverarbeitung</td></tr><tr><td>HT-X1</td><td>Tomocube Inc., Korea</td><td>N/A</td><td>Betriebssoftware</td></tr><tr><td>Ilastik</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Auf maschinellem Lernen basierendes Segmentierungs-Toolkit</td></tr><tr><td>Behälterhalter für bildgebende Schüsseln&nbsp;</td><td>Tomocube Inc., Korea</td><td>N/A</td><td>Halterung für Bildgebungsschüssel</td></tr><tr><td>IntestiCult Organoid Wachstumsmedium (Maus)</td><td>STEMCELL-Technologien</td><td>#06005</td><td>Kommerziell erhältliches vorgefertigtes Nährmedium</td></tr><tr><td>Matlab (Englisch)</td><td>MathWorks (Englisch)</td><td>Matlab 2024a</td><td>Software für die Bildverarbeitung</td></tr><tr><td>Matrigel</td><td>Corning</td><td>356231</td><td>ECM für 3D-Organoide</td></tr><tr><td>Millipore&nbsp; Steritop&nbsp; Filter mit Vakuumflaschenaufsatz</td><td>Merck</td><td>S2GPT05RE</td><td>0,22 μm M Filtereinheit für die Mediumsterilisation</td></tr><tr><td>Darmorganoide der Maus</td><td>STEMCELL-Technologien</td><td>#70931</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Refraktometer</td><td>ATAGO</td><td>R-5000</td><td>Brechungsindex-Rechner</td></tr><tr><td>TomoSchale</td><td>Tomocube Inc., Korea</td><td>901002-02</td><td>#1.5 Bildgebungsschale mit Deckglasboden</td></tr><tr><td>TomoStudio X</td><td>Tomocube Inc., Korea</td><td>N/A</td><td>Bildgebungssoftware</td></tr><tr><td>TrypLE</td><td>Gibco</td><td>12604</td><td>Dissoziation einzelner Zellen</td></tr></tbody></table>

markierungsfreie, hochauflösende 3d-bildgebung und maschinelle lernanalyse von darmorganoiden mittels low-coherence-holotomographie

Label-free, High-Resolution 3D Imaging and Machine Learning Analysis of Intestinal Organoids via Low-Coherence Holotomography

Abbildung 1 veranschaulicht den schematischen Arbeitsablauf für die 4D-Bildgebung und quantitative Analyse von sIOs. Dieses Protokoll ermöglicht eine kontinuierliche Live-Bildgebung und eine umfassende Bewertung von sIOs durch einen vierstufigen Prozess: Kultur, 4D-Bildgebung, Bildverarbeitung und quantitative Analyse (Abbildung 1D).
Nach einer 5-tägigen Inkubationszeit wurden reife sIOs zur Visualisierung mittels Low-Coherence-Holoto...

Markierungsfreie, hochauflösende 3D-Bildgebung und maschinelle Lernanalyse von Darmorganoiden mittels Low-Coherence-Holotomographie

Accurate, label-free imaging of intestinal organoids is crucial for studying their morphology, growth dynamics, and responses to environmental stimuli. ...

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Research

Forschung

JoVE Journal

Biology

Biologie

Lensfree optischen Tomographie ist eine dreidimensionale Mikroskopie-Technik, die eine räumliche Auflösung von &lt;1 um bietet × &lt;1 um x &lt;3 &amp;mgr; m in x-, y-und z-Dimensionen jeweils über einen großen Imaging-Volumen von 15-100...

Lensfree On-Chip-tomographischen Mikroskopie beschäftigt Multi-Angle-Beleuchtung und Super-Pixel-Auflösung

Optische Kohärenztomografie (OCT), eine dreidimensionale imaging-Technologie, wurde verwendet, um zu überwachen und zu charakterisieren, die Wachstum Kinetik der vielzelligen Tumor Sphäroide. Präzise volumetrische Quantifizierung der Tumor Sphäroide mit einem Voxel zählen Ansatz und markierungsfreie abgestorbenes Gewebe-Erkennung in der Sphäroide basierend auf intrinsische optische Dämpfung dagegen wurden demonstriert.

Longitudinal morphologischen und physiologischen Überwachung der dreidimensionalen Tumor Sphäroide mit optischen Kohärenztomographie

Die gesamte 3D-Struktur und der zelluläre Gehalt von Organoiden sowie ihre phänotypische Ähnlichkeit mit dem ursprünglichen Gewebe können mit dem hier beschriebenen einzelligen 3D-Bildgebungsprotokoll erfasst werden. Dieses Protokoll kann auf eine breite Palette von Organoiden mit unterschiedlichem Ursprung, Größe und Form angewendet werden.

Single-Cell Resolution Dreidimensionale Bildgebung intakter Organoide

Wir beschreiben die Vorbereitung von Bändern serieller Schnitte und deren Sammlung auf großen Transferträgern für den Einsatz als Array-Tomographie-Proben sowie automatisierte Bildgebungsverfahren in einem Rasterelektronenmikroskop. Das Protokoll ermöglicht das Screening, den Abruf und die gezielte Bildgebung lokaler, seltener Ereignisse und die Erfassung großer Datenmengen.

Array-Tomographie-Workflow zur gezielten Erfassung von Volumeninformationen mittels Rasterelektronenmikroskopie

Hier stellen wir detaillierte, robuste und komplementäre Protokolle zur Verfügung, um Färbung und subzelluläre Bildgebung von fixierten dreidimensionalen Zellkulturmodellen im Bereich von 100 μm bis zu mehreren Millimetern durchzuführen und so die Visualisierung ihrer Morphologie, Zelltypzusammensetzung und Wechselwirkungen zu ermöglichen.

Färbung und hochauflösende Bildgebung von dreidimensionalen Organoid- und Sphäroidmodellen

In dieser Arbeit wird ein Herstellungsprotokoll für eine neue Art von Kultursubstrat mit Hunderten von Mikrobehältern promm2 vorgestellt, in dem Organoide kultiviert und mittels hochauflösender Mikroskopie beobachtet werden können. Die Zellimpf- und Immunfärbungsprotokolle sind ebenfalls detailliert.

Eine Hochdurchsatzplattform für Kultur und 3D-Bildgebung von Organoiden

Dieses Protokoll beschreibt eine halbautomatische Methode für Organoid-Wirkstoff-Screenings mit mittlerem bis hohem Durchsatz und mikroskopunabhängige, automatisierte Bildanalysesoftware zur Quantifizierung und Visualisierung multiparametrischer, einzelorganoider Arzneimittelreaktionen zur Erfassung der intratumoralen Heterogenität.

Multiparametrisches Tumor-Organoid-Wirkstoff-Screening mit Weitfeld-Live-Cell-Imaging für die Bulk- und Einzelorganoid-Analyse

Hier beschreiben wir ein Verfahren, das den organweiten Nachweis pathogener Bakterien während der Infektion und die Quantifizierung der fluoreszierenden Reporteraktivitäten ermöglicht.

Hochauflösende dreidimensionale Ganzorgantomographie von mikrobiellen Infektionen

Dieses Protokoll kombiniert optisches Clearing und Immunmarkierung für die konfokale Bildgebung des gesamten Volumens von Netzhautorganoiden in der gesamten Halterung. Es bewahrt die 3D-Struktur und ermöglicht eine detaillierte Visualisierung wichtiger neuronaler Signalwege und verbessert die Untersuchung der Netzhautreifung, der räumlichen Organisation und ihrer potenziellen Anwendungen in der Krankheitsmodellierung und personalisierten Medizin.

Visualisierung von retinalen Organoiden mit zellulärer Auflösung

Eine Methode der konfokalen Raman Mikroskopie basiert vorgestellt, bietet label-free-Visualisierung von Lignin in pflanzlichen Zellwänden und den Vergleich der Verholzung in verschiedenen Geweben, Mustern oder Arten.

Label-freie In situ Imaging der Verholzung in pflanzlichen Zellwänden

Erfahren Sie die Low-Coherence-Holotomographie für hochauflösende, markierungsfreie 3D-Bildgebung von Darmorganoiden mit KI-gestützter Analyse. Diese Methode ermöglicht nicht-invasive Echtzeitüberwachung biophysikalischer Veränderungen.

Markierungsfreie, hochauflösende 3D-Bildgebung und maschinelle Lernanalyse von Darmorganoiden mittels Low-Coherence-Holotomographie (Video) | JoVE Journal

Markierungsfreie, hochauflösende 3D-Bildgebung und maschinelle Lernanalyse von Darmorganoiden mittels Low-Coherence-Holotomographie

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