izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2025-2-97-105izmertech-2292Research ArticleМЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯMEDICAL AND BIOLOGICAL MEASUREMENTSМетод оптической дифференциальной томографии для измерений морфологических и физиологических параметров эритроцитовOptical differential tomography method for measuring morphological and physiological parameters of erythrocyteshttps://orcid.org/0009-0005-5522-3652ПавловА. Н.PavlovA. N.

Александр Николаевич Павлов - Кафедра общей и экспериментальной физики Физико-технического университета.

Якутск

Alexander N. Pavlov

Yakutsk

Alpavlov090@mail.ruЛевинГ. Г.LevinG. G.

Геннадий Генрихович Левин

Москва

Gennady G. Levin

Moscow

levin@vniiofi.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2017-9808СамойленкоА. А.SamoylenkoA. A.

Алексей Андреевич Самойленко

Москва

Alexey A. Samoylenko

Moscow

3asamoylenko@vniiofi.ruМаксимовГ. В.MaksimovG. N.

Георгий Владимирович Максимов

Москва

Georgy V. Maksimov

Moscow

gmaksimov@mail.ruСеверо-Восточный федеральный университет им. М.К. АммосоваРоссияM.K. Ammosov North-Eastern Federal UniversityRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измеренийРоссияAll-Russian Research Institute for Optical and Physical MeasurementsRussian FederationМосковский государственный университет им М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation20250606202574297105Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20252025ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2292

Приведён обзор применения методов оптической томографии в области биологических и физико-химических исследований. Описаны возможности существующих методов. Однако возможности оптической томографии при исследовании клеточной биологии ещё не до конца изучены. В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям с помощью оптической томографии клеток крови, в частности эритроцитов. Разработан метод исследования перераспределения молекул гемоглобина в одиночных нативных эритроцитах при изменении осмолярности среды. Метод основан на принципах дифференциальной оптической томографии и её модификаций. Данный метод позволяет получать информацию об изменении морфологических и физиологических параметров клеток в реальном времени без использования экзогенных меток в качестве контраста для визуализации. Предложен оригинальный алгоритм обработки данных дифференциальной томографии: восстановление фазовых изображений отдельных эритроцитов. В результате обработки данных получены трёхмерные изображения изменений показателя преломления в течение двух часов экспозиции эритроцита в гипоосмолярной среде. Рассчитаны некоторые параметры клеток, включая морфологию и сухую массу белков, и их изменения в среде в условиях, отличных от нормальных физиологических условий in vivo. Показаны изменения морфологии клеток, уменьшение сухой массы, получены трёхмерные карты распределения внутриклеточного гемоглобина. Обнаружено, что существенные изменения показателя преломления в цитоплазме эритроцита при изменении тоничности раствора наблюдаются в примембранном слое. Данный метод может найти применение в прикладных исследованиях в области биологии и медицины для оценки общих физических свойств различных клеток в нормальных или аномальных условиях, включая клетки крови, бактерии, нейроны, водоросли, раковые клетки и т. д.

An overview of the application of optical tomography methods in the fi eld of biological and physicochemical research is given. The capabilities of existing methods are described. However, the capabilities of optical tomography in the study of cell biology have not yet been fully explored. At present, much attention is paid to the study of blood cells, in particular erythrocytes, using optical tomography. A method for studying the redistribution of hemoglobin molecules in single native erythrocytes with a change in the osmolarity of the medium has been developed. The method is based on the principles of differential optical tomography and its modifications. This method allows obtaining information on changes in morphological and physiological parameters of cells in real time without using exogenous labels as a contrast for visualization. An original algorithm for processing differential tomography data is proposed: restoration of phase images of individual erythrocytes. As a result of data processing, three-dimensional images of changes in the refractive index during two hours of exposure of the erythrocyte in a hypoosmolar medium are obtained. Several cell parameters, including morphology and dry mass of proteins, and their changes in the medium under conditions different from normal physiological conditions in vivo were calculated. Changes in cell morphology, a decrease in dry mass, and three-dimensional maps of intracellular hemoglobin distribution were obtained. It was found that significant changes in the refractive index in the erythrocyte cytoplasm with a change in the tonicity of the solution are observed in the nearmembrane layer. This method can find application in applied research in biology and medicine to assess the general physical properties of various cells under normal or abnormal conditions, including blood cells, bacteria, neurons, algae, cancer cells, etc.

эритроцитыоптическая дифференциальная томографияфазовое изображениетрёхмерная визуализацияморфологияпоказатель преломления клеткигемоглобинerythrocytesoptical differential tomographyphase imagingthree-dimensional visualizationmorphologyrefractive index of the cellhemoglobinИсследование выполнено в рамках государственного задания МГУ имени М. В. Ломоносова и государственного задания № FSRG-2024-0002 «Междисциплинарные исследования и разработки в области медицины, палеонтологии и экологии с применением радиационных технологий»The study was conducted under the state assignment of Lomonosov Moscow State University and state assignment № FSRG2024-0002 for interdisciplinary research and development in the fi elds of medicine, paleontology, and ecology using radiation technologiesReferencesKim K., Guck J. The relative densities of cytoplasm and nuclear compartments are robust against strong perturbation. Biophysical Journal, 119(10), 1946–1957 (2020). https://doi.org/10.1016/j.bpj.2020.08.044; https://elibrary.ru/xbmvseKim K., Guck J. The relative densities of cytoplasm and nuclear compartments are robust against strong perturbation. Biophysical Journal, 119(10), 1946–1957 (2020). https://doi.org/10.1016/j.bpj.2020.08.044; https://elibrary.ru/xbmvseKim G., Lee M., Kwon D., Youn S., Lee E., Shin G. Automated identification of bacteria using three-dimensional holographic imaging and convolutional neural network. 2018 IEEE Photonics Conference (IPC), Reston, VA, USA, October 1–4 2018. https://doi.org/10.1109/IPCon.2018.8527133Kim G., Lee M., Kwon D., Youn S., Lee E., Shin G. Automated identification of bacteria using three-dimensional holographic imaging and convolutional neural network. 2018 IEEE Photonics Conference (IPC), Reston, VA, USA, October 1–4 2018. https://doi.org/10.1109/IPCon.2018.8527133Ayoub A. B., Roy A., Psaltis D. Optical diffraction tomography using nearly in-line holography with a broadband led source. Applied Sciences, 12(3), 951 (2022). https://doi.org/10.3390/app12030951; https://elibrary.ru/qnnbtAyoub A. B., Roy A., Psaltis D. Optical diffraction tomography using nearly in-line holography with a broadband led source. Applied Sciences, 12(3), 951 (2022). https://doi.org/10.3390/app12030951; https://elibrary.ru/qnnbtCharrière F., Kuhn J., Colomb T., Cuche E., Marquet P., Depeursinge C. Characterization of microlenses by digital holographic microscopy. Applied Optics, 45(5), 829–835 (2006). https://doi.org/10.1117/12.700540Charrière F., Kuhn J., Colomb T., Cuche E., Marquet P., Depeursinge C. Characterization of microlenses by digital holographic microscopy. Applied Optics, 45(5), 829–835 (2006). https://doi.org/10.1117/12.700540Wu Z., Sun Yu, Matlock A., Liu J., Tian L., Kamilov U. S. SIMBA: Scalable inversion in optical tomography using deep denoising priors. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 14(6), 1163–1175 (2020). https://doi.org/10.1109/JSTSP.2020.2999820; https://elibrary.ru/lgjfdgWu Z., Sun Yu, Matlock A., Liu J., Tian L., Kamilov U. S. SIMBA: Scalable inversion in optical tomography using deep denoising priors. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 14(6), 1163–1175 (2020). https://doi.org/10.1109/JSTSP.2020.2999820; https://elibrary.ru/lgjfdgHsu W., Su J., Chang C., Sung K. Digital holographic microtomography for high-resolution refractive index mapping of live cells. Journal of Biophotonics, 6(5), 416–424 (2013). https://doi.org/10.1117/12.999804; https://elibrary.ru/prufmpHsu W., Su J., Chang C., Sung K. Digital holographic microtomography for high-resolution refractive index mapping of live cells. Journal of Biophotonics, 6(5), 416–424 (2013). https://doi.org/10.1117/12.999804; https://elibrary.ru/prufmpOng J., Oh J., Ang X. Y. et al. Molecular and biomolecular spectroscopy. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 286, 122026 (2023). https://doi.org/10.1016/j.saa.2022.122026; https://elibrary.ru/jichfuOng J., Oh J., Ang X. Y. et al. Molecular and biomolecular spectroscopy. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 286, 122026 (2023). https://doi.org/10.1016/j.saa.2022.122026; https://elibrary.ru/jichfuKim K., Yoon H. O., Diez-Silva M., Doa M., Dasari R. R., Park Y. K. High-resolution three-dimensional imaging of red blood cells parasitized by Plasmodium falciparum and in situ hemozoin crystals using optical diffraction tomography. Journal of Biomedical Optics, 19(1), 011005–011005 (2014). https://doi.org/10.1117/1.JBO.19.1.011005; https://elibrary.ru/spwjnrKim K., Yoon H. O., Diez-Silva M., Doa M., Dasari R. R., Park Y. K. High-resolution three-dimensional imaging of red blood cells parasitized by Plasmodium falciparum and in situ hemozoin crystals using optical diffraction tomography. Journal of Biomedical Optics, 19(1), 011005–011005 (2014). https://doi.org/10.1117/1.JBO.19.1.011005; https://elibrary.ru/spwjnrPark H. J., Hong S. H., Kim K., Cho S. H., Lee W. J., Kim Y., Lee S. E., Park Y. K. Characterizations of individual mouse red blood cells parasitized by Babesia microti using 3-D holographic microscopy. Scientific Reports, 5(1), 10827 (2015). https://doi.org/10.1038/srep10827Park H. J., Hong S. H., Kim K., Cho S. H., Lee W. J., Kim Y., Lee S. E., Park Y. K. Characterizations of individual mouse red blood cells parasitized by Babesia microti using 3-D holographic microscopy. Scientific Reports, 5(1), 10827 (2015). https://doi.org/10.1038/srep10827Левин Г. Г., Самойленко А. А., Казакова Т. А., Маракуца Т. А., Максимов Г. В. Локальная оптическая томография нервной клетки. Биофизика. 68(1), 57–65 (2023). https://doi.org/10.31857/S0006302923010064; https://elibrary.ru/nzpzcqLevin G. G., Samoilenko A. A., Kazakova T. A., Marakutsa T. A., Vaksimov G. V. Local optical tomography of a nerve cell. Biophysics, 68(1), 44–51 (2023). https://doi.org/10.1134/S0006350923010116Паршина Е. Ю., Самойленко А. А., Максимов Г. В., Юсипович А. И., Лобакова Е. С., Хе Я., Левин Г. Г. Комплексный подход для исследования морфологии и распределения пигментов в клетке водоросли. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия «Естественные науки», (2(113)), 129–148 (2024). https://elibrary.ru/nbofmhParshina E. Ju., Samojlenko A. A., Maksimov G. V., Jusipovich A. I., Lobakova E. S., He Ja., Levin G. G. Integrated approach to studying pigment morphology and distribution in the algae cell. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Natural Sciences, (2(113)), 129–148 (2024). (In Russ.) https://elibrary.ru/nbofmhBard F., Bourgeois C. A. Rotation of the cell nucleus in living cells: a quantitative analysis. Biology of the Cell, 54(2), 135–142 (1985). http://dx.doi.org/10.1111/j.1768-322X.1985.tb00388.xBard F., Bourgeois C. A. Rotation of the cell nucleus in living cells: a quantitative analysis. Biology of the Cell, 54(2), 135–142 (1985). http://dx.doi.org/10.1111/j.1768-322X.1985.tb00388.xСлатинская О. В., Зарипов П. И., Браже Н. А., Петрушанко И. Ю., Максимов Г. В. Изменение конформации и распределения гемоглобина в эритроците при ингибировании Na+/K+-АТФазы. Биофизика, 67(5), 897–905 (2022). https://doi.org/10.31857/S0006302922050064; https://elibrary.ru/jievcwSlatinskaya O. V., Zaripov P. I., Brazhe N. A., Petrushanko I. Yu., Maksimov G. V. Changes in the conformation and distribution of hemoglobin in the erythrocyte upon inhibition of Na+/K+-ATPase activity. Biophysics, 67(5), 726–733 (2022). https://doi.org/10.1134/S0006350922050189Слатинская О. В., Лунева О. Г., Деев Л. И., Зарипов П. И., Максимов Г. В. Исследование конформации гемоглобина в эритроците при изменении парциального давления кислорода. Биофизика, 66(5), 937–944 (2021). https://doi.org/10.31857/S0006302921050112; https://elibrary.ru/jkcshcSlatinskaya O. V., Luneva O. G., Deev L. I., Zaripov P. I., Maksimov G. V. The Hemoglobin conformation in erythrocytes at different levels of oxygen partial pressure. Biophysics, 66(5), 797–803 (2021). https://doi.org/10.1134/S0006350921050225Vishnyakov G. N., Levin G. G., Minaev V. L., Latushko M. I., Nekrasov N. A., Pickalov V. V. Differential interference contrast tomography. Optics Letters, 41(13), 3037–3040 (2016). https://doi.org/10.1364/OL.41.003037; https://elibrary.ru/wudqkxVishnyakov G. N., Levin G. G., Minaev V. L., Latushko M. I., Nekrasov N. A., Pickalov V. V. Differential interference contrast tomography. Optics Letters, 41(13), 3037–3040 (2016). https://doi.org/10.1364/OL.41.003037; https://elibrary.ru/wudqkxЛевин Г. Г., Булыгин Ф. В., Вишняков Г. Н. Когерентные осцилляции состояния молекул белка в живых клетках. Цитология, 47(4), 348–356 (2005). https://elibrary.ru/hscdpjLevin G. G., Bulygin F. V., Vishnyakov G. N. Coherent oscillations of the state of protein molecules in living cells. Tsitologiya, 47(4), 348–356 (2005). (In Russ.) https://elibrary.ru/hscdpjBarer R., Ross K. F. A., Tkaczyk S. Refractometry of living cells. Journal article. Nature, 171(4356), 720–724 (1953). https://doi.org/10.1038/171720a0Barer R., Ross K. F. A., Tkaczyk S. Refractometry of living cells. Journal article. Nature, 171(4356), 720–724 (1953). https://doi.org/10.1038/171720a0Слатинская О. В. Исследование конформации и распределения гемоглобина при функционировании эритроцита: дис. канд. биол. наук. Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Биологический факультет, Москва (2023). https://elibrary.ru/vqjmqmSlatinskaya O. V. Study of hemoglobin conformation and distribution during erythrocyte functioning. Candidate’s dissertation Biology, Moscow state university, Faculty of Biology, Moscow (2023). (In Russ.) https://elibrary.ru/vqjmqm

The authors declare that there are no conflicts of interest present.