全息斷層掃描 (Holotomography) 的原理、發展與應用

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摘要

全息斷層掃描 (Holotomography) 作為一種無標記 (Label-free) 的活細胞成像技術，近年來在生物醫學研究領域備受矚目。它結合全息術 (Holography) 和斷層掃描 (Tomography) 的原理，無需染色即可實現細胞和組織的三維 (3D) 高解析度成像。本篇技術文章將深入探討 NanoLive 的全息斷層掃描技術，闡釋全息術和斷層掃描的基本原理，並重點介紹折射率 (Refractive Index, RI) 在此技術中的重要性，最後將介紹 NanoLive 的產品特點及其在生物醫學及其他領域的廣泛應用前景。

全息術 (Holography)：光的干涉與繞射

全息術 (Holography) 是一種記錄和重建物體全部光波信息 (振幅和相位) 的技術。傳統攝影僅記錄光的強度 (Amplitude)，因此只能呈現二維 (2D) 圖像。而全息術利用干涉原理 (Interference Principle)，將物體反射或透射的光波與參考光波 (Reference Beam) 疊加，產生干涉圖樣 (Interference Pattern)，並記錄在全息片 (Hologram) 上。

重建影像時，用光束照射全息片，產生繞射現象 (Diffraction)，從而重建出包含原始物體振幅和相位信息的三維 (3D) 影像。由於全息術記錄了光的相位信息，因此可以呈現出物體的立體感 (3D Perception) 和深度信息 (Depth Information)。

斷層掃描 (Tomography)：從多角度重建三維結構

斷層掃描 (Tomography) 是一種通過從多個角度獲取物體的投影數據 (Projection Data)，然後利用數學算法重建其內部結構的技術。最常見的斷層掃描技術是電腦斷層掃描，它使用 X 射線從不同角度穿透人體，獲取投影數據，然後通過電腦重建出人體組織和器官的三維 (3D) 圖像。

斷層掃描的核心思想是利用數學算法，例如反投影法 (Back Projection) 或迭代重建法 (Iterative Reconstruction)，將多個角度的投影數據轉換成三維 (3D) 圖像。斷層掃描技術廣泛應用於醫學影像、材料科學等領域，可以無損傷地觀察物體的內部結構。

NanoLive 的全息斷層掃描技術：無標記三維活細胞成像

NanoLive 的全息斷層掃描技術是一種結合全息術和斷層掃描原理的新型成像技術。它利用物體對光的折射率差異 (Refractive Index Difference)，從多個角度獲取全息影像 (Holographic Images)，然後利用計算機重建出物體的三維 (3D) 折射率分佈圖 (RI Tomogram)。

NanoLive 的 3D Cell Explorer 使用低功率雷射 (Low-power Laser, 520 nm, 0.1 mW)，從多個角度照射樣本，測量穿過細胞的光波的相位延遲 (Phase Delay)。由於細胞內不同結構，例如細胞核、細胞質、細胞膜等，具有不同的折射率 (RI)，因此光波在穿過這些結構時會產生不同的相位延遲。

NanoLive 的專利技術：

  • 45 度入射角雷射系統 (45-degree Incident Laser System)：通過移軸照明 (Off-axis Illumination) 達到 Holo-Tomographic 成像，大幅增加三維 (3D) 解析度。
  • 旋轉臂技術 (Rotating Arm Technology)：從 100 個不同角度捕獲圖像，實現 3D 成像。

系統規格包括：

  • 橫向分辨率 (Lateral Resolution)：200 nm
  • 軸向分辨率 (Axial Resolution)：400 nm
  • 深度場 (Depth of Field)：30 μm
  • 成像速度 (Acquisition Speed)：0.5 fps (全 3D 影像)

優勢在於：

  • 無標記 (Label-free)：無需染色或標記，避免對細胞的損傷和干擾 (Interference)。
  • 三維 (3D) 成像：可以獲取細胞和組織的三維 (3D) 結構信息。
  • 高解析度：可以觀察到細胞內部的精細結構 (Subcellular Structures)。
  • 活細胞成像 (Live Cell Imaging)：可以在不損傷細胞的情況下，長時間觀察細胞的動態變化 (Dynamic Changes)。
  • 非侵入性 (Non-invasive)：對細胞無光毒性 (Phototoxicity)，適合長時間成像。

折射率 (Refractive Index, RI) 在全息斷層掃描中的重要性

折射率 (Refractive Index, RI) 是光在介質中傳播速度與真空中傳播速度之比，它反映了介質對光的折射能力 (Refraction Ability)。不同的物質具有不同的折射率 (RI)，即使是同一種物質，在不同的狀態下 (例如不同的濃度、溫度等 也可能具有不同的折射率。

在 NanoLive 的全息斷層掃描技術中，折射率 (RI) 是一個至關重要的參數，原因如下：

  • 內源性對比 (Intrinsic Contrast)：細胞內的各種結構 (例如細胞核、細胞質 、細胞膜 、細胞器 等) 具有不同的折射率 (RI)，這使得全息斷層掃描無需染色即可區分這些結構。通過測量細胞內各區域的折射率分佈 (RI Distribution)，可以了解細胞的組成和結構。
  • 定量分析 (Quantitative Analysis)：折射率 (RI) 不僅是一個定性的指標 (Qualitative Indicator)，更是一個可以進行定量分析 (Quantitative Analysis) 的物理量 (Physical Quantity)。通過測量細胞的平均折射率 (Average RI)、折射率分佈的均勻性 (Uniformity)、特定區域的折射率值 (RI Value) 等參數，可以了解細胞的生理狀態 、功能變化等信息。
  • 質量密度 (Mass Density)：折射率 (RI) 與物質的質量密度 (Mass Density) 之間存在一定的關係 (Relationship)。在細胞生物學 (Cell Biology) 中，可以通過測量細胞的折射率 (RI) 來估算細胞的質量 (Mass) 和密度 (Density)。
  • 動態追蹤 (Dynamic Tracking)：由於全息斷層掃描可以快速地獲取細胞的三維 (3D) 折射率分佈 (RI Distribution)，因此可以實時追蹤細胞內部的動態變化 (Dynamic Changes)，例如細胞器的運動 (Organelle Movement)、物質的運輸 (Material Transport)、細胞的形變 (Cell Deformation) 等。

在 Smart Lipid Droplet Assay (SLDA) 中，脂滴 (Lipid Droplets, LDs) 具有光學密度 (Optical Density)，在無標記成像中具有高折射率 (High RI)。SLDA 使用此訊號來分割脂滴 (Segment Lipid Droplets)。

NanoLive 的產品與特點

NanoLive 提供多款全息斷層掃描產品，滿足不同研究需求：

這些產品配備 STEVE 軟體，支援互動式數位染色 (Digital Staining) 和定量分析 (Quantitative Analysis)，基於折射率 (RI) 和折射率梯度 (RI Gradient) 進行數據處理。

全息斷層掃描的應用領域

NanoLive 的全息斷層掃描技術無需標記 (Label-free)、三維 (3D) 成像、高解析度 (High Resolution)、活細胞成像 (Live Cell Imaging) 等優勢，在生物醫學及其他領域具有廣泛的應用前景：

  • 細胞生物學 (Cell Biology)：
    • 細胞結構與功能研究 (Cell Structure and Function Study)：觀察細胞內部的精細結構 (Subcellular Structures)，例如細胞核 (Nucleus)、細胞器 (Organelles)、細胞骨架 (Cytoskeleton) 等，研究它們的結構與功能之間的關係 (Relationship)。
    • 細胞動態過程研究 (Cell Dynamic Process Study)：實時追蹤細胞的運動 (Movement)、分裂 (Division)、凋亡 (Apoptosis) 等過程，了解細胞的生命活動規律 (Life Activity Patterns)。
    • 藥物篩選與藥效評估 (Drug Screening and Efficacy Assessment)：觀察藥物對細胞結構和功能的影響 (Impact)，篩選具有特定藥效 (Specific Efficacy) 的候選藥物 (Candidate Drugs)。
  • 腫瘤生物學 (Tumor Biology)：
    • 腫瘤細胞的異質性研究 (Tumor Cell Heterogeneity Study)：了解腫瘤細胞在形態 (Morphology)、結構 (Structure)、生理狀態 (Physiological State) 方面的差異 (Differences)，研究腫瘤的發生發展機制 (Mechanisms of Tumor Development)。
    • 腫瘤微環境研究 (Tumor Microenvironment Study)：觀察腫瘤細胞與周圍環境 (例如血管 (Blood Vessels)、免疫細胞 (Immune Cells) 等) 的相互作用 (Interactions)，研究腫瘤的轉移 (Metastasis) 和抗藥性 (Drug Resistance)。
  • 幹細胞研究 (Stem Cell Research)：
    • 幹細胞分化研究 (Stem Cell Differentiation Study)：觀察幹細胞 (Stem Cells) 向不同類型細胞分化的過程 (Process)，了解幹細胞分化的調控機制 (Regulatory Mechanisms)。
    • 幹細胞再生醫學 (Stem Cell Regenerative Medicine)。
  • 神經科學 (Neuroscience)：
    • 神經細胞研究 (Neuron Cell Study)：觀察神經細胞 (Neurons) 的結構 (Structure) 和功能 (Function)，研究神經信號的傳遞 (Neural Signal Transmission) 和神經退行性疾病 (Neurodegenerative Diseases) 的發生機制 (Mechanisms)。
    • 病毒感染研究 (Viral Infection Study)。
  • 藥物開發 (Drug Development)：
    • 在藥物安全性評估 (Drug Safety Assessment) 中，獲取無偏倚數據 (Unbiased Data)。
  • 其他領域 (Other Fields)：
    • 微生物學 (Microbiology)、材料科學 (Materials Science)、環境科學 (Environmental Science) 等。

結論

NanoLive 的全息斷層掃描技術作為一種革新性的無標記活細胞成像工具，具有廣闊的應用前景。隨著技術的不斷發展和完善，相信全息斷層掃描將在推動生物醫學研究 、解開生命奧秘 的道路上扮演越來越重要的角色。

尚博生物科技公司 Cell-Bio Biotechnology Co., Ltd.

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