Метод оптической дифференциальной томографии для измерений морфологических и физиологических параметров эритроцитов

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.

1. Kim 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/xbmvse

2. Kim 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.2018.8527133

3. Ayoub 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/qnnbt

4. Charrière 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/10.1117/12.700540

5. Wu 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/lgjfdg

6. Hsu 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/prufmp

7. Ong 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/jichfu

8. Kim 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/spwjnr

9. Park 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/srep10827

10. Левин 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/nzpzcq

11. Паршина 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/nbofmh

12. Bard 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.x

13. Слатинская 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/jievcw

14. Слатинская 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/jkcshc

15. Vishnyakov 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/wudqkx

16. Левин 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/hscdpj

17. Barer R., Ross K. F. A., Tkaczyk S. Refractometry of living cells. Journal article. Nature, 171(4356), 720–724 (1953). https://doi.org/10.1038/171720a0

18. Слатинская 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/vqjmqm