February 8th, 2014
弱散乱物体の三次元位置が一意的に標準的な顕微鏡に軽微な改変を伴うデジタルインラインホログラフィック顕微鏡法(DIHM)を用いて同定することができる。当社のソフトウェアは、微細な位相物体の3次元位置と形状を得るためにレイリー·ゾンマーフェルトバックプロパゲーションと相まって、簡単な画像処理、ヒューリスティックを使用しています。
次の実験の全体的な目標は、遊泳する細菌細胞の連鎖の幾何学における3D位置を再構築することです。これは、まず細菌細胞を正しい濃度まで増殖させ、イメージングに適したサンプルを提供することによって達成されます。第2のステップとして、LED光源をセットアップして位置合わせし、ホログラフィック画像を取得できるようにします。
次に、再構築ソフトウェアを使用して、細菌細胞の鎖の3D座標を取得します。その結果、ホログラフィックイメージングに基づいて細菌細胞の3D位置と形状を再構築する能力が示されました。この手法が共焦点顕微鏡のような既存の方法よりも優れている点は、高フレームレートでラベルフリーの体積イメージングが可能であることです。
接種を開始するには、連鎖球菌株V 4 0 5 1 1 97の凍結ストックからの氷結晶を含む10ミリリットルのKTY培地を、ロータリーシェーカーで摂氏35度、150RPMで一晩スターター培養をインキュベートします。成長したら、飽和スターター培養から500マイクロリットルの新鮮なKTY培地10ミリリットルを接種します。細胞が0.8〜1.0の波長600ナノメートルの光学密度に達するまで、摂氏35度、150RPMで3.5時間インキュベー
トします。これは、ミリリットルあたり10〜8番目のセルの約5倍に相当します。次に、細胞を新鮮な培地で1〜400に希釈して、1ミリリットルあたり約100万個の細胞の最終濃度を得ます。次に、注射器にワセリンを入れ、顕微鏡スライド上に高さ1mmのグリースの輪を作ります。
次に、サンプル溶液を中央に一滴垂らします。サンプルの上にカバーガラスをそっと置き、ガラスを軽く押して端をシールし、液体がスライドとカバーガラスの両方に接触していることを確認します。結果として得られるサンプルチャンバーは、深さが100〜200マイクロメートルになります。
60 x オイル浸漬レンズを所定の位置に回転させ、オイルを一滴加えます。次に、サンプルチャンバーをカバーガラスを下にして顕微鏡ステージに置きます。ガラスカバースリップとレンズの間に気泡が形成されていないことを確認してください。
サンプルチャンバーの底面に焦点を合わせてから、コンデンサーに焦点を合わせます。次に、標準照明をオフにし、LEDヘッドを顕微鏡のコンデンサー開口部の後ろに置きます。コンデンサーが明視野モードに設定されていることを確認し、LED電源を最大出力に設定します。
次に、コンデンサーの絞りを最大限閉じ、照明が対物レンズの絞りの中心に来るまで、マウント内のLEDを微調整します。コンピューターのスイッチを入れてから、光路を顕微鏡のカメラポートにリダイレクトします。画像取得ソフトウェアで、フレームレートを30フレーム/秒に調整し、画像サイズを5 12 x 5 12ピクセルに調整します。
画像強度ヒストグラムをチェックして、画像のどの部分も飽和したり露出不足になっていないことを確認します。フレームの露光時間は、良好なコントラストを維持しながら、できるだけ短くする必要があります。細胞が界面の近くに集まった場合は、顕微鏡の焦点を合わせ直して、細菌細胞の焦点がわずかにぼけるようにします。
細胞は、最適な再構成のために焦点面から約10〜30ミクロンの位置にある必要があります。ピントを合わせ直した後、一連のビデオフレームを集録し、非圧縮のVIファイルとして保存します。次に、無料でダウンロードできるDIHMソフトウェアを起動して、ビデオフレームを数値で焦点を合わせ直した画像スタックに変換します。
再構築を開始するためのサンプルフレームがソフトウェアに付属しています。関心のあるフレームとその背景を別々の画像ファイルとしてボックスに入力します。背景画像は、ホログラムがない場合のビデオの背景を公正に表し、ホログラフィックのローカリゼーションと分析を妨げる可能性のある固定パターン ノイズを抑制するために使用されます。
次に、グローバル設定ボックスに出力スタックパラメータを入力します。まず、スタートフォーカスの最初のフレームの軸位置を入力します。次に、再構築されたスタック内のスライスの数をステップ数で入力し、最後に、スタック内の各スライス間の実際の距離をステップサイズで入力します。
ステップ サイズを横方向のピクセル間隔と同じになるように設定すると、サンプル データを使用して正しい比率でオブジェクトを再構築できます。この値は 0.233 マイクロメートルである必要があります。次に、カメラの照明、波長、中屈折率、および横方向のサンプリング周波数を入力します。
ピクセル/ミクロンのボックスでは、対物レンズの倍率をカメラセンサーのピクセルサイズで割ることにより、カメラの横方向のサンプリング周波数を見つけることができます。サンプル データを使用すると、数値は 60 x 14 マイクロメートルで割ると、4.29 ピクセル/ミクロンになります。次に、ホログラムでオブジェクトの中心が暗い場合は、Z グラデーションの反転ボタンを押します。
これにより、元のサンプルの焦点面の下にあるオブジェクトを抽出するフィルターが適用されます。次に、画像へのノイズの多いピクセルの寄与を抑制する役割を担うバンドパスフィルターをオンにします。これは、生成直後に各画像スライスに適用されます。
次に、中間出力スイッチがオンオフ状態になり、オンになっていることを確認します。これらのスイッチがオンの場合、2つのビデオが作成されます。最初の出力は、ファイル名がスタック a V で終わる再フォーカス スタックです。2 番目のスタックは、ファイル名がグラデーション a VI で終わる実際のグラデーション操作です。理想的には、この 2 番目のスタックには、暗い背景に対して明るいオブジェクトとして強調表示された対象オブジェクトが含まれます。
すべてのパラメータを設定したら、メインウィンドウで実行を押してコマンドを実行します。選択したフレームがソフトウェアのメインボックスに表示されます。次に、画像の左側にあるツールバーにある虫眼鏡ツールを使用して、ズームインおよびズームアウトします。
四角形ツールを使用して、関心領域または ROI を選択し、四角形の内側にできるだけ多くのホログラム フリンジをキャプチャして、再構築を最適化します。最後に、処理ボタンを押して、2つの別々の画像スタックを生成します。このWebサイトで入手可能な画像Jを使用して、結果のスタックを検査します。
目的のオブジェクトがグラデーション画像スタックにはっきりと見える場合は、レンダリングセクションに進んでオブジェクト座標を抽出します。レンダリングを開始するには、フィーチャ抽出ボタンを押して、X、Y、Z 座標位置機能を有効にします。次に、出力座標ファイルのパスと拡張子を入力し、出力座標スタイルボックスでPOVレイスタイルを選択します。
これにより、プログラムは、このWebサイトから入手できる無料のPOVレイ追跡ソフトウェアパッケージを使用して視覚化できるオブジェクトファイルを書き込み、画像を再処理してオブジェクトの座標を抽出します。プログラムは、出力コードボックスのファイル名に書き込まれた、選択したROIの一連のX、Y、Z座標を提供します。オブジェクト座標の抽出は、スタックの生成よりも大幅に時間がかかります。
再構築コードと共に提供されるサンプルPOV光線ファイルが、出力座標ファイルと同じフォルダに存在することを確認してください。サンプルのドットPOVファイルを編集し、行上の逆カンマ内のファイル名を置き換えます。再構築コードによって生成されたデータ ファイルの名前を持つ my ファイル NC を含めます。
次に、POV ray でカメラの位置、照明、テクスチャ、レンダリング オプションをカスタマイズします。終了したら、実行ボタンをクリックしてビットマップ画像をレンダリングします。これは、連鎖球菌の鎖が一瞬向きを変えたイメージです。
焦点面まで終了します。この構成のオブジェクトは再構築が難しく、通常は焦点面の近くにブロブを生成します。ここに示されているのは、チェーンが光軸に沿って直接向き付けられていないこのシリーズのほとんどのフレームを代表する、適切にレンダリングされたイメージです。
オブジェクトの形状と位置は、右側のパネルに示すように、レンダリングで忠実に再現されています。このテクニックを習得すれば、数分で完了します。
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この研究では、デジタルインラインホログラフィック顕微鏡法(DIHM)を使用して、遊泳する細菌細胞の三次元位置と形状を再構成することの実証を行っています。この技術により、フレームレートの高いラベルフリーの体積イメージングが可能となり、従来の方法に比べて大きな利点があります。
Digital inline holographic microscopy (DIHM) enables label-free volumetric imaging of weakly-scattering biological samples at high frame rates, addressing a key limitation in live-cell imaging where traditional methods require labeling or lack 3D spatial resolution. This capability supports early discovery workflows by providing quantitative, model-free measurements of cellular position and geometry in native conditions, reducing mechanistic ambiguity in target validation and phenotypic screening. The technique’s compatibility with standard imaging hardware and scalable sample volumes positions it as a reusable platform for de-risking therapeutic hypotheses in discovery biology.
DIHM fits within the discovery continuum from hypothesis testing in early biology to lead identification and preclinical validation, particularly where label-free, volumetric, and dynamic imaging are required to compare experimental conditions.