Исследователи представили открытую платформу для реконструкции 3D-структурированной микроскопии

Структурированная микроскопия (SIM) стала ведущей сверхразрешающей технологией для визуализации живых клеток благодаря высокой скорости, низкой фототоксичности и совместимости с различными красителями. Развитие SIM привело к появлению ряда алгоритмов: Open-SIM, fairSIM, Hessian-SIM, HiFi-SIM и др.

Эти открытые программные решения также стимулировали инновации в оборудовании, включая SLM-SIM, DMD-SIM и коммерческие системы, такие как Airy-SIM.

В 2008 году Густафссон представил концепцию 3D-структурированной микроскопии (3DSIM), которая обеспечивает удвоенное аксиальное разрешение по сравнению с 2D SIM, устраняет артефакты расфокусировки и позволяет проводить визуализацию целой клетки.

Однако из-за сложности развитие 3DSIM отставало от 2D-аналога. Существующие алгоритмы 3DSIM либо являются проприетарными в коммерческих системах, либо основаны на традиционных подходах Weiner-3DSIM, что ограничивает их удобство и приводит к значительным артефактам. Существует острая потребность в открытом и надежном ПО для 3DSIM.

На основе своей предыдущей платформы для реконструкции 2DSIM Open-SIM, исследовательская группа Пэн Си представила новую открытую платформу Open-3DSIM, опубликованную в журнале Nature Methods.

В отличие от Open-SIM, Open-3DSIM предлагает три платформы — MATLAB, Fiji и Exe — для различных потребностей пользователей. Она обеспечивает высокоточную реконструкцию с минимальными артефактами даже при низком отношении сигнал/шум (SNR). Кроме того, Open-3DSIM включает визуализацию ориентации диполя, расширяя возможности до поляризационной микроскопии.

Ключевые улучшения алгоритма

• Адаптивный метод оценки параметров, использующий пики частот ±1-го и ±2-го порядка, что повышает точность оценки параметров 3DSIM в сложных условиях (низкий SNR, низкая модуляция).
• Набор частотных фильтров для подавления артефактов и сохранения слабого сигнала:
  • Режекторные фильтры для ослабления гексагональных артефактов.
  • Первичные фильтры для подавления боковых лепестков и кольцевых артефактов.
  • Вторичные фильтры для сохранения тонких деталей.

В результате Open-3DSIM демонстрирует превосходство над существующими алгоритмами реконструкции (AO-3DSIM, 4BSIM, SIMnoise и др.) и коммерческим ПО (например, GE | OMX). При экстремально низком SNR Open-3DSIM показывает сравнимые значения среднеквадратичной ошибки (MAE) и SNR с другими алгоритмами.

Расширенные возможности визуализации

• Внедрение поляризационной информации на этапе постобработки позволяет получать карты ориентации диполя для биологических образов без модификации оборудования.
• Низкий уровень артефактов и высокое разрешение позволили успешно провести трехцветную реконструкцию клеток Cos-7.
• Проанализирована трехмерная структура митохондрий с захватом динамики их разделения и слияния.
• В срезах почки мыши толщиной 5 мкм получена ценная 3D-информация об ориентации диполя в органеллах микрофиламентов.

Open-3DSIM охватывает шесть измерений (XYZλθT), обеспечивая сверхразрешение в латеральной и аксиальной плоскостях, многоцветную визуализацию, наблюдение в реальном времени и анализ ориентации диполя.

Универсальность и перспективы

Платформа совместима не только с одной микроскопической системой, но и с широким спектром коммерческих или собранных на заказ систем 3DSIM, включая GE|OMX и Nikon|N-SIM. Она также легко интегрируется с различными методами оптимизации изображений на основе регуляризации, деконволюции или машинного обучения.

Благодаря своей производительности, модульному дизайну и удобству, Open-3DSIM представляет собой надежную программную основу для следующего поколения 3DSIM.

Пэн Си видит в Open-3DSIM международный стандарт для реконструкции 3DSIM, который будет способствовать дальнейшему развитию многомерной сверхразрешающей визуализации живых клеток и стимулировать совместные исследования в этой области.