Teknik PRISM Mendobrak Batas Difraksi Cahaya untuk Pencitraan Sel Hidup dalam Ruang dan Waktu

• Para peneliti mengembangkan teknik baru (PRISM) yang dapat mengamati melampaui difraksi cahaya. 
• Ia dapat menangkap pemandangan luar biasa di dalam sel hidup melalui pencitraan spasial dan temporal beresolusi super. 

Selama beberapa dekade terakhir, kami telah menggunakan metode pencitraan fluoresensi bidang luas, seperti PALM dan STORM, untuk mengamati struktur subseluler. Metode ini memerlukan ratusan dan ribuan gambar mentah dalam urutan yang panjang. Dengan demikian, peningkatan resolusi spasial menurunkan resolusi waktu.

Kini, para peneliti di EPFL (lembaga penelitian di Lausanne, Swiss) telah merancang sistem yang dapat menangkap pemandangan luar biasa di dalam sel hidup melalui pencitraan spasial dan temporal beresolusi super (baik dalam ruang maupun waktu).

Platform mikroskop baru, bernama PRISM (Instrumen Pengambilan Fase dengan Mikroskop Resolusi Super), dapat mengamati di luar difraksi cahaya. Ini mengintegrasikan mikroskop 3 dimensi dan teknik baru untuk pengambilan fase 3 dimensi cahaya putih.

Ini menggabungkan resolusi spasial resolusi super fluoresensi dan spesifisitas molekuler dengan pencitraan fase kuantitatif berkecepatan tinggi dan sensitif, memungkinkan pencitraan 4 dimensi multimodal. 

Bagaimana Cara Kerja Mikroskop Sel 4D?

Para peneliti menggunakan penyaringan Fourier untuk mengekstraksi fase kuantitatif 3D dari serangkaian gambar cahaya putih. Kemudian mereka menjelaskan pencitraan fase resolusi kedalaman bidang terang ini melalui pembentukan gambar 3D yang koheren sebagian.

Mereka mendemonstrasikan konsepnya dengan mengambil data fase 3D resolusi tinggi dari sel stabil dari tumpukan besar intensitas z-displaced. Mereka mengembangkan PRISM untuk akuisisi 8 bidang secara bersamaan – yang dapat melakukan pencitraan fase 3D berkecepatan tinggi pada volume 2,5*50*50 mikrometer. Terakhir, mereka secara berurutan mencitrakan sampel sel secara 3D dengan mikroskop fase dan pencitraan fluktuasi optik resolusi super (SOFI).

SOFI mendukung pencitraan 3D sel hidup dengan resolusi waktu hampir satu detik per gambar yang direkonstruksi dalam mikroskop multi-bidang. Selain itu, ia menawarkan penilaian kuantitatif parameter molekuler, dan mentolerir kepadatan pelabelan yang tinggi.

Referensi: Fotonik Alam | doi:10.1038/s41566-018-0109-4 | EPFL

Dalam bahasa sederhana, PRISM adalah tambahan pada platform mikroskop bidang luas saat ini, yang memungkinkan implementasi pencitraan resolusi super fluoresensi 3D dan fase kuantitatif 3D secara sederhana dan cepat. Intinya, sistem baru ini menghadirkan peluang lebih baik untuk mengamati fisiologi temporal dan spasial kompleks sel hidup.

Detail Teknis

Sebuah sel diamati dengan teknik PRISM | Kredit:  T. Lasser / EPFL

Berdasarkan persamaan gelombang Helmholtz, teknik ini tertanam dalam kerangka teorema Wiener – Khintchine. Proses decoding data fasa sepanjang sumbu z dilakukan dengan menghitung interferensi hamburan lemah maju.

Mereka membangun algoritma yang efisien untuk memulihkan data fase 3D dari tumpukan intensitas volumetrik yang diperoleh. Bukaan numerik deteksi tinggi dan cahaya putih iluminasi Koehler memberikan pencitraan fase kuantitatif sel hidup dengan resolusi tinggi dan stabil tanpa bintik. Selain itu, simulasi memverifikasi resolusi aksial 350*560 nanometer. 

Baca:Mengukur Aktivitas Listrik Otak Menggunakan Sensor Fluoresen

Secara keseluruhan, prosedur ini memungkinkan peningkatan mikroskop medan terang konvensional menjadi mikroskop fase 3D yang sederhana, cepat, dan andal, yang diharapkan dapat memenuhi harapan untuk berbagai penyelidikan dan penerapan dalam ilmu kehidupan dan biologi.