Naukowcy z Politechniki Warszawskiej podglądają żywe komórki

Podstawą badań w biologii i medycynie jest obserwacja komórek. Wydawać by się mogło, że znany od setek lat mikroskop jest narzędziem wystarczającym dla naukowców. Okazuje się, że obserwacja komórek nie jest taka prosta, ponieważ są one na dobrą sprawę przezroczyste i ich nie widać. Można je wtedy wybarwić, ale wpływa się w ten sposób na stan komórki – nie mamy pewności czy proces barwienia nie zmodyfikował jej zachowania. 

Alternatywą jest oświetlenie komórki wykorzystujące pierwotną trudność – przezroczystość. Światło przechodzi przez przezroczystą komórkę, która je załamuje. Następnie rejestruje się załamane światło i w ten sposób uzyskuje hologram. By go odczytać należy dokonać rekonstrukcji, wykorzystując specjalne algorytmy. Tu zaczynają się wyzwania. 

Dawka czyni truciznę – również w przypadku światła. To tak zwana fototoksyczność. Strumień światła wpływa na stan i zachowanie komórki, a co za tym idzie oddala badaczy od prawdziwego obrazu komórkowej rzeczywistości – mowa wtedy o stresowaniu komórki. Dlatego nasi naukowcy rozwijają techniki, które pozwalają na uzyskanie satysfakcjonującej jakości obrazowania z wykorzystaniem niewielkiej liczby fotonów.  

Każdy pomiar – nawet oparty o precyzyjny układ optyczny – jest narażony na zaszumienie. W przypadku małej liczby fotonów to istotny problem: im mniej fotonów, tym większy udział szumów w końcowym pomiarze. Wykorzystanie małej liczby niepodzielnych fotonów ujawnia dyskretną, skwantowaną naturę problemu. LPB cechuje szum śrutowy (ang. shot noise) i szum kwantyzacji (ang. quantization noise). Ponad to konsekwencją holografii jest problem bliźniaczego obrazu (ang. twin image), który obniża jakość końcowego obrazowania. To kluczowe wyzwania, z którym z powodzeniem zmierzył się QCI Lab. 

Algorytm IGA zmienia reguły gry 

Nasz zespół opracował algorytm iterative Gabor averaging (IGA) – nowatorskie podejście integrujące iteracyjne odzyskiwanie fazy z uśrednianiem ramek w celu skutecznego tłumienia zarówno zaburzeń twin image, jak i szumu śrutowego w wieloramkowej cyfrowej poosiowej mikroskopii holograficznej (ang. digital in-line holographic microscopy, DIHM).  

Algorytm IGA osiąga to dzięki iteracyjnemu procesowi, który rekonstruuje obrazy fazowe o wysokiej wierności, jednocześnie selektywnie uśredniając szum śrutowy detektora pomiędzy kolejnymi ramkami. Symulacje pokazują, że IGA przewyższa metody konwencjonalne, osiągając lepszą dokładność rekonstrukcji, zwłaszcza w warunkach wysokiego zaszumienia. Badania eksperymentalne, obejmujące szybkie obrazowanie ruchliwych plemników oraz pomiar statycznego testowego obiektu fazowego przy niskim oświetleniu, potwierdziły skuteczność IGA. Algorytm okazał się również efektywny w przypadku próbek optycznie cienkich, które nawet przy wysokim budżecie fotonowym generują hologramy o niskim stosunku sygnału do szumu. Te osiągnięcia czynią IGA potężnym narzędziem do fotostymulacji wolnego, szybkiego obrazowania dynamicznych próbek biologicznych oraz rozszerzają możliwości obrazowania próbek o ekstremalnie małej grubości optycznej, co może zrewolucjonizować zastosowania biomedyczne i środowiskowe w warunkach niskiego oświetlenia. 

– Dzięki algorytmowi umożliwiamy obrazowanie mikroskopowe próbek z jeszcze mniejszą intensywnością oświetlenia niż dotychczas. Jest to istotne, gdy chcemy używać naszego mikroskopu do obrazowania żywych kolonii komórkowych. Nawet niska intensywność oświetlenia może stymulować, a nawet je uszkadzać, zaburzając tym samym wynik pomiaru – podkreśla dr inż. Mikołaj Rogalski, główny autor publikacji.

Dzięki zastosowaniu podejścia hybrydowego uzyskuje się wyższą jakość odwzorowania fazy nawet przy bardzo niskim natężeniu oświetlenia. IGA minimalizuje fototoksyczność i pozwala na szybkie obrazowanie dynamicznych próbek biologicznych. Nasi naukowcy nie zwalniają tempa i myślą już o kolejnych wyzwaniach.  

– Nasze kolejne cele to dalsza poprawa redukcji szumu w warunkach obrazowania przy niskiej intensywności oświetlenia. Planujemy również zastosowanie algorytmu do rzeczywistych badań biologicznych w celu minimalizacji wpływu fototoksyczności na analizę migracji komórek – zdradza dr Rogalski.

Quantitative Computational Imaging Lab (QCI Lab) to grupa badawcza zajmująca się zaawansowanymi technikami obrazowania. Badacze QCI Lab łączą nowoczesne algorytmy rekonstrukcji numerycznej z eksperymentalnymi układami optycznymi. Zespół koncentruje się na mikroskopii optycznej wysokiej rozdzielczości – w tym technikach interferometrycznych, bezsoczewkowej mikroskopii holograficznej czy ptychografii Fouriera oraz różnicowego kontrastu fazowego – z naciskiem na ilościowe i bezinwazyjne obrazowanie. Wyniki badań znalazły już szerokie zastosowania w badaniach z zakresu biologii i medycyny. Liderami grupy są prof. Maciej Trusiak i dr Piotr Zdańkowski. Koordynacją zajmuje się Błażej Roch Żyliński.