Визуализация in vitro Phi Optics, Inc. – Ин Виво Технология

Пн-Пт: 10:00 - 18:00

Визуализация in vitro Phi Optics, Inc.

             Компания Phi Optics, Inc. была создана в 2009 году и производит оптические системы (интерференционные модули) на основе метода интерференционной микроскопии (QPI) для визуализации процессов in-vitro.

             Компания Phi Optics Inc., США при помощи усовершенствованного метода оптической интерференционной микроскопии дает возможность в режиме реального времени с помощью бесмаркировочной количественной визуализации для получить информационные данные по массе и по объему клеток, тканей, органоидов.

             Системы Phi Optics™ сочетают методы световой микроскопии (флуоресценция, DIC, фазовый контраст) с возможностями 3D топографии в режиме реального времени на основании технологии QPI. Это сочетание дает значительное преимущество для приложений, требующих недорогой, быстрой и точной визуализации наноструктур. Системы могут применяться в медико-биологических исследованиях, медицинской диагностике, нанотехнологиях, тестировании полупроводниковых материалов.

Системы оптической визуализации с интерференционным модулем SLIM™, GLIM™ (Phi Optics, Inc., США)

Модуль с технологией SLIM™, GLIM™ поставляется отдельно от микроскопа и подключается в порт для камеры микроскопа.

             Исследования в области быстропротекающих клеточных процессов стимулировали прогресс в развитии новых методов прижизненной микроскопии и необходимости регистрации динамических процессов. Большинство биологических объектов является прозрачными для излучения в оптическом диапазоне. С точки зрения физической оптики такой объект является амплитудно-фазовым и его внутренняя структура описывается трехмерными пространственным распределением показателя преломления и коэффициента поглощения Измерение этих оптических неоднородностей играет важную роль в исследовании клеточных культур, и предпочтительно проводить его без специфического окрашивания или введения флуоресцентных меток. С показателем преломления и коэффициентом поглощения связаны различные физические параметры клеток. По распределению показателя преломления можно определить вес сухих веществ в клетке и ее органеллах и места локализации инородных соединений. Можно наблюдать и динамические процессы в клетке, так как она остается живой, в частности, процессы синтеза и распада белков, а также определять традиционные морфологические параметры клеток.

             К важнейшим параметрам фазового микрообъекта относится и оптическая длина пути (ОДП), представляющая собой интеграл от функции распределения показателя преломления вдоль зондирующего луча. По набору значений ОДП, измеренных при различных углах зондирования, можно реконструировать трехмерное пространственное распределение показателя преломления, являющегося локальным по пространству параметром фазового объекта. Из ОДП и трехмерного распределения можно вычислить различные производные характеристики от этих величин: плотность, концентрацию и морфометрические характеристики, например, объем и средний радиус клетки и т.п. Показатель преломления связан с поляризуемостью белковых структур клетки, следовательно, фазовое изображение несет ценную диагностическую информацию о состоянии биологического микрообъекта.

             Другой задачей является формирование изображений прозрачных или полупрозрачных объектов, несущих количественную информацию об их структуре, а также наблюдение и оценка пространственных линейных масштабов и измерение их локальных и интегральных характеристик.

             На сегодняшний день задача визуализации объемных фазовых объектов решается методами: фазового контраста или метода Цернике; интерференционного контраста, дифференциально-интерференционного контраста или метода Номарского; методом темного поля; поляризационного контраста и градиентной фазовой микроскопии.

             Современный уровень исследований требует количественной информации о сверхмалых изменениях при трехмерной визуализации всего изучаемого препарата. Высокая чувствительность к изменениям оптической разности хода (ОРХ) достигается при фазовых измерениях.

             Количественные исследования характеристик фазовых микрообъектов можно проводить с помощью интерференционных микроскопов. Возможно проводить мониторинг состояния как отдельной клетки, так и целой популяции клеток. Корреляция между различными процессами, происходящими в живой клетке, и величиной ОРХ позволяет использовать фазовое изображение также для исследования этих динамических процессов.

             Для проведения измерений в основном используют микроскопы, в основе которых лежат различные схемы двухлучевых интерферометров: Майкельсона, Маха-Цендера и Миро. В области интерференционной микроскопии актуальной является также проблема разработки методов оптической микротомографии фазовых объектов, обеспечивающих большой угол зондирования, различные траектории сканирования и большое число проекций.

             Одной из разновидностей интерференционной микроскопии является квантово-фазовая визуализация (QPI), в ходе которой происходит удаление гало-артефакта из метода классической фазово-контрастной микроскопии. QPI состоит из 2-х технологий: Light Interference Microscopy (SLIM™), Gradient Light Interference Microscopy (GLIM™) . SLIM™, GLIM™ измеряют оптическую длину пути, измененную при прохождении сквозь образец, регистрируют в значениях пикселов полученного изображения. Интенсивность пикселя пропорциональная изменению в оптической длине, что позволяет проводить измерения морфологических характеристик, рефрактивного индекса и сухой массы объекта.

             Технологии SLIM™, GLIM™ сочетают метод фазовой визуализации с низкокогерентной интерферометрией и голографией c сохранением геометрии оптического пути. Это обеспечивает высокое отношение сигнал/шум (нанометрическая фазовая чувствительность) и малошумный фон (временная стабильность) по сравнению с методами фазового контраста (ПК), дифференциально-интерференционного контраста (ДИК) или другими QPI-методами. SLIM™, GLIM™ и технологии используют белый свет микроскопа, что позволяет избежать спеклов, которые возникают в QPI-методах при использовании лазера, и улучшают оптическое разделение из-за низко-когерентной длины волны источника света. Пропускная способность для осуществления измерений является высокой (до 100 микролитров измеряемого объема в минуту) при одновременном обеспечении субмикронного разрешения при высокой плотности пробы (до 1010 частиц/мл).

             В последние годы наблюдается устойчивый рост интереса к сверхразрешающим методам оптической микроскопии. Однако широко применяемые в медико-биологических исследованиях методы электронной, атомно-силовой, конфокальной и когерентной микроскопии ограничены вследствие низкого (150-200 нм) латерального разрешения, высокой погрешности измерений, многочисленных артефактов и трудоемкой пробоподготовкой.

             Компания Phi Optics Inc., США разработала метод интерференционной микроскопии (QPI), который позволяет получить изображение структуры с нанометровым разрешением и провести комплексный анализ оптических свойств объекта. Возможности метода:

  • Использование метода количественно-фазовой визуализации (QPI) и передача изображения в режиме реального времени
  • Проведение непрерывных исследование клеток и тканей без применения красителей на протяжении нескольких недель
  • Получение 2D, 3D структурных данных для исследуемых образцов
  • одновременное детектирование оптического сигнала и наложение изображений, полученных из нескольких каналов микроскопа

             Системы с технологий QPI (SLIM™, GLIM™) могут применяться для решения задач в следующих областях:

  • Онкология
  • Иммунология
  • Генная и клеточная терапия
  • Фармакология
  • Токсикология
  • Неврология
  • Исследования стволовых клеток
  • Распределение клеток in vitro
  • Кинетическое распределение химических соединений
  • Клеточная терапия
  • Оптическая 3D томография
  • Исследования клеточной динамики  и роста клеток
  • Оптическая визуализации структуры биологических тканей
  • Анализ распределения частиц

Избранные публикации:

The power of imaging with phase (2017): http://light.ece.illinois.edu/index.html/archives/3182

Spatial light interference microscopy (2011) http://light.ece.illinois.edu/wp-content/uploads/2011/08/2011_OE_SLIM.pdf

Gradient light interference microscopy (2017) http://light.ece.illinois.edu/index.html/archives/3247

Epi-illumination gradient light interference microscopy (2019): http://light.ece.illinois.edu/index.html/archives/3872

Whitelight diffraction phase microscopy (2014): http://light.ece.illinois.edu/index.html/archives/2414

Quantitative Microscopy/Drug Discovery: BioOptics World (2018) https://www.bioopticsworld.com/articles/print/volume-11/issue-5/quantitative-microscopy-drug-discovery-adding-on-deep-tissue-subcellular-quantitative-phase-imaging.html

Quantitative phase imaging in biomedicine, Nature Photonics 12,(2018) http://light.ece.illinois.edu/index.html/archives/3563

Spatial light interference microscopy (2011) http://light.ece.illinois.edu/wp-content/uploads/2011/08/2011_OE_SLIM.pdf

Quantitative Phase Imaging (2012) http://light.ece.illinois.edu/wp-content/uploads/2012/08/Progress-in-Optics-2012.pdf

GLIM Paper – Nature Communications (2017) https://www.nature.com/articles/s41467-017-00190-7

Quantitative Microscopy/Drug Discovery: BioOptics World (2018) https://www.bioopticsworld.com/articles/print/volume-11/issue-5/quantitative-microscopy-drug-discovery-adding-on-deep-tissue-subcellular-quantitative-phase-imaging.html

H. Nguyen, M. E. Kandel, M. Rubessa, M. B. Wheeler, and G. Popescu, Gradient light interference microscopy for 3D imaging of unlabeled specimens, Nature Communications 8, Article number: 210 (2017)

Rubessa, S. Lotti, M. Kandel, G. Popescu, M. Wheeler, SLIM microscopy allows for visualization of DNA-containing liposomes designed for sperm-mediated gene transfer in cattle, Molecular Biology Reports, 2018

Liu, M. E. Kandel, M. Rubessa, S. Schreiber, M. B. Wheeler, G. Popescu, Topography and refractometry of sperm cells using spatial light interference microscopy, J. Biomed. Opt. 23(2), 025003 (2018)

Chiritescu and, G. Popescu, 3D Imaging of Live Specimens- Quantitative Phase Imaging with SLIM and GLIM, Imaging & Microscopy (2018)

 

Патенты:

SLIM (US Patents 8,184,298, 8,520,213, 9,052,180, and 9,404,857), GLIM (US Patent 10,132,609), wDPM (US 8,837,045 B2 and 9,404,857)

 Использование технологии SLIM™, GLIM™ для поведения исследований (видео презентация систем). Dr. Gabriel Popescu
Professor, Electrical and Computer Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign (USA)  

Русский한국어English