細胞内構造を 6 次元で解釈するための新しいオープンソース プラットフォーム – 2023

構造化照明顕微鏡 (SIM）は、その高速性、低い光毒性、およびさまざまな色素との互換性により、生細胞イメージング用の最も強力な超解像技術の 1 つとして浮上しています。 SIM の進歩に伴い、Open-SIM、fairSIM、Hessian-SIM、HiFi-SIM などのさまざまなアルゴリズムや、SLM-SIM や DMD-SIM などの新しいハードウェアの革新が生まれました。

3D 構造化照明顕微鏡 (3DSIM) の概念は、2008 年に Gustafsson によって初めて導入されました。これは、2D SIM の 2 倍の軸方向解像度を提供し、一般的な焦点ぼけアーチファクトを排除し、細胞全体のイメージングを可能にします。 ただし、3DSIM 固有の複雑さが開発の妨げになっています。 既存の 3DSIM アルゴリズムは、商用システムで独自に開発されているか、従来の Weiner-3DSIM アプローチに依存しているため、使いやすさが制限され、重大なアーティファクトが存在します。 この分野でさらなる進歩を可能にするためには、オープンソースの堅牢な 3DSIM ソフトウェアが緊急に必要とされています。

が率いる研究チームは、 彭熙、未来工学部教授、 北京大学は最近、新しいオープンソース 3DSIM 再構築プラットフォーム Open-3DSIM を導入しました。 信号対雑音比 (SNR) が低い条件下でもアーティファクトを最小限に抑えた高忠実度の再構築を実現し、MATLAB、Fiji、Exe と互換性があります。 Open-3DSIM には双極子配向イメージングが組み込まれており、その機能が偏光イメージングを含むように拡張されています。

優れたパフォーマンスと高忠実度の再構築

Open-3DSIM は、他のアルゴリズムと比較して、アーティファクトの抑制と高忠実度の再構成において優れたパフォーマンスを示します。 Open-3DSIM のパフォーマンスを向上させるために、Xi Peng の研究グループは、±1 番目と ±2 番目の周波数ピークを使用してパラメータを協調的に推定する適応パラメータ推定方法を採用しました。 この戦略により、特に低 SNR と低変調という困難な条件下で、3DSIM パラメータ推定の精度が大幅に向上しました。 注目すべきことに、Open-3DSIM は、SNR が非常に低い条件下でも、他のアルゴリズムと同様の平均二乗誤差 (MAE) と SNR を示しました。

また、チームは 3DSIM 再構成の後処理段階に偏光情報を導入し、ハードウェアの変更を必要とせずにさまざまな生体サンプルの双極子配向マップを取得できるようにしました。 新しいプラットフォームをテストするために、科学者たちはミトコンドリアの 3D 構造を分析し、分離と融合の動的なプロセスを捉えました。 さらに、厚さ 5 μm のマウス腎臓スライスを分析し、マイクロフィラメント細胞小器官の貴重な 3D 双極子配向情報を取得しました。 Open-3DSIM は 6 次元 (XYZλθT) を網羅しており、横方向と縦方向の両方での超解像度イメージング、マルチカラー イメージング、タイムラプス観察、双極子方位解析が可能です。 まとめると、Open-3DSIM は細胞内小器官の多次元イメージング研究にとって貴重なツールです。

Open-3DSIM は、単一の顕微鏡プラットフォームだけでなく、GE|OMX や Nikon|N-SIM などの幅広い商用またはカスタム構築の 3DSIM システムとも互換性があります。 また、正則化、デコンボリューション、または機械学習に基づいたさまざまな画像最適化手法に統合することもできます。 この互換性と、その卓越したパフォーマンス、モジュラー設計、および使いやすさとの組み合わせにより、Open-3DSIM は次世代の 3DSIM 開発のための堅牢なソフトウェア基盤として確立されます。

Xi Peng氏は、Open-3DSIMが3DSIM再構成の国際標準として使用でき、多次元生細胞超解像度イメージング技術の開発を加速できると信じている。

元の出版物:

R. Cao 他: Open-3DSIM: オープンソースの 3 次元構造化照明顕微鏡再構成プラットフォーム。 Nat メソッド (2023); 土井： 10.1038/s41592-023-01958-0