होलोटोमोग्राफी

होलोटोमोग्राफी (एचटी) जैविक कोशिका (जीव विज्ञान) जैसे सूक्ष्म नमूने के त्रि-आयामी अपवर्तक सूचकांक (आरआई) टोमोग्राफी को मापने के लिए एक लेज़र  तकनीक है। क्योंकि आरआई गरमागरम प्रकाश बल्ब वस्तुओं के पारदर्शी या चरण-आउट के लिए एक आंतरिक इमेजिंग कंट्रास्ट के रूप में काम कर सकता है, आरआई टोमोग्राम की माप सूक्ष्म चरण वस्तुओं की लेबल-मुक्त मात्रा का ठहराव | लेबल-मुक्त मात्रात्मक इमेजिंग प्रदान कर सकती है। नमूनों के 3-डी आरआई टोमोग्राम को मापने के लिए, एचटी  होलोग्रफ़ी  इमेजिंग और इनवर्स स्कैटरिंग ट्रांसफॉर्म|इनवर्स स्कैटरिंग के सिद्धांत को नियोजित करता है। आमतौर पर, इंटरफेरोमेट्रिक इमेजिंग के सिद्धांत को नियोजित करते हुए, एक नमूने की कई 2डी होलोग्राफिक छवियों को विभिन्न रोशनी कोणों पर मापा जाता है। फिर, नमूने में प्रकाश प्रकीर्णन को विपरीत रूप से हल करके इन एकाधिक 2डी होलोग्राफिक छवियों से नमूने का एक 3डी आरआई टोमोग्राम का पुनर्निर्माण किया जाता है।

इतिहास
पहला सैद्धांतिक प्रस्ताव एमिल वुल्फ द्वारा प्रस्तुत किया गया था, और पहला प्रायोगिक प्रदर्शन फ़र्चर एट अल द्वारा दिखाया गया था। 2000 के दशक से, एमआईटी स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रयोगशाला सहित कई अनुसंधान समूहों द्वारा, एचटी तकनीकों का बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया था और जीव विज्ञान और चिकित्सा के क्षेत्र में लागू किया गया था। एचटी के तकनीकी विकास और अनुप्रयोग दोनों ही काफी उन्नत हुए हैं। 2012 में पहली व्यावसायिक एचटी कंपनी नैनोलिव की स्थापना की गई, बाद में 2014 में टॉमोक्यूब की स्थापना की गई।

सिद्धांत
एचटी का सिद्धांत एक्स-रे कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी) या सीटी स्कैन के समान है। सीटी स्कैन विभिन्न रोशनी कोणों पर मानव शरीर की कई 2-डी एक्स-रे छवियों को मापता है, और फिर एक 3-डी टोमोग्राम (एक्स-रे अवशोषण) को व्युत्क्रम प्रकीर्णन सिद्धांत के माध्यम से पुनर्प्राप्त किया जाता है। एक्स-रे सीटी और लेजर एचटी दोनों एक ही शासी समीकरण साझा करते हैं - हेल्महोल्ट्ज़ समीकरण, एक मोनोक्रोमैटिक तरंग दैर्ध्य के लिए तरंग समीकरण। HT को ऑप्टिकल विवर्तन टोमोग्राफी के रूप में भी जाना जाता है।

लाभ और सीमाएँ
पारंपरिक 3डी सूक्ष्मदर्शी तकनीकों की तुलना में एचटी निम्नलिखित लाभ प्रदान करता है। हालाँकि, 3डी आरआई टोमोग्राफी आणविक विशिष्टता प्रदान नहीं करती है। आम तौर पर, सोने के नैनोकणों जैसे उल्लेखनीय मामलों को छोड़कर, मापी गई आरआई जानकारी सीधे अणुओं या प्रोटीन के बारे में जानकारी से संबंधित नहीं हो सकती है या लिपिड बूंदें जो कोशिका कोशिका द्रव्य की तुलना में स्पष्ट रूप से उच्च आरआई मान प्रदर्शित करता है।
 * 1) लेबल-मुक्त: बाहरी लेबलिंग एजेंटों का उपयोग किए बिना सेलुलर झिल्ली और उपसेलुलर ऑर्गेनेल को स्पष्ट रूप से चित्रित किया जा सकता है। इस प्रकार, फोटोटॉक्सिसिटी, फोटोब्लीचिंग और फोटोडैमेजिंग के कोई मुद्दे नहीं हैं।
 * 2) मात्रात्मक इमेजिंग क्षमता: HT सीधे सेल के 3D RI मानचित्रों को मापता है, जो सामग्रियों के आंतरिक ऑप्टिकल गुण हैं। क्योंकि मापी गई आरआई को एक कोशिका के द्रव्यमान घनत्व में अनुवादित किया जा सकता है और इस जानकारी का उपयोग करके, एक कोशिका का द्रव्यमान भी प्राप्त किया जा सकता है।
 * 3) सटीक और तेज़ माप: HT उपयोग किए गए ऑब्जेक्टिव लेंस के संख्यात्मक एपर्चर और एक छवि सेंसर की गति के आधार पर, लगभग 100 एनएम तक स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और कुछ से सौ फ्रेम प्रति सेकंड का अस्थायी रिज़ॉल्यूशन प्रदान करता है।

अनुप्रयोग
HT के अनुप्रयोगों में शामिल हैं:

कोशिका जीवविज्ञान
एचटी प्रतिदीप्ति प्रोटीन या रंगों जैसे बहिर्जात लेबलिंग एजेंटों का उपयोग किए बिना जीवित कोशिकाओं और पतले ऊतकों की 3डी गतिशील छवियां प्रदान करता है। HT मात्रात्मक लाइव सेल इमेजिंग को सक्षम बनाता है, और सेल वॉल्यूम, सतह क्षेत्र, प्रोटीन एकाग्रता जैसी मात्रात्मक जानकारी भी प्रदान करता है। गुणसूत्रों की लेबल-मुक्त इमेजिंग और मात्रा का ठहराव प्रस्तुत किया गया। कोशिकाओं में ऑटोफैगी द्वारा प्रोटीसोम क्षरण का नियामक मार्ग एचटी का उपयोग करके अध्ययन किया गया था।

सहसंबंधी इमेजिंग
सहसंबंधी इमेजिंग के लिए एचटी का उपयोग अन्य इमेजिंग तौर-तरीकों के साथ किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एचटी और प्रतिदीप्ति इमेजिंग का संयोजन एक सहक्रियात्मक विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण को सक्षम बनाता है। एचटी संरचनात्मक जानकारी प्रदान करता है जबकि प्रतिदीप्ति संकेत आणविक विशिष्ट इमेजिंग प्रदान करता है, जो पोजीट्रान एमिशन टोमोग्राफी (पीईटी) और सीटी के अनुरूप एक ऑप्टिकल है। एचटी का उपयोग करके सहसंबंध इमेजिंग दृष्टिकोण के लिए विभिन्न दृष्टिकोण बताए गए हैं।

लिपिड मात्रा का ठहराव
इंट्रासेल्युलर लिपिड बूंदें ऊर्जा भंडारण और चयापचय में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं, और कैंसर, मोटापा और मधुमेह मेलेटस सहित विभिन्न विकृति से भी संबंधित हैं। एचटी मुक्त या इंट्रासेल्युलर लिपिड बूंदों के लिए लेबल-मुक्त और मात्रात्मक इमेजिंग और विश्लेषण को सक्षम बनाता है। क्योंकि लिपिड बूंदों में साइटोप्लाज्म के अन्य भागों की तुलना में स्पष्ट रूप से उच्च आरआई (एन> 1.375) होता है, आरआई टोमोग्राम के माप लिपिड बूंदों की मात्रा, एकाग्रता और शुष्क द्रव्यमान के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं। हाल ही में, फोम कोशिकाओं में लिपिड बूंदों को मापकर lobeglitazone की लक्षित डिलीवरी को प्रभावित करने के लिए डिज़ाइन किए गए नैनोड्रग के चिकित्सीय प्रभावों का मूल्यांकन करने के लिए एचटी का उपयोग किया गया था।

प्रायोगिक प्रयोगशाला
एचटी विभिन्न मात्रात्मक इमेजिंग क्षमता प्रदान करता है, जो व्यक्तियों की कोशिकाओं के रूपात्मक, जैव रासायनिक और यांत्रिक गुण प्रदान करता है। 3डी आरआई टोमोग्राफी सीधे कोशिका के आयतन, सतह क्षेत्र और गोलाकारता (गोलाई) सहित रूपात्मक गुण प्रदान करती है। स्थानीय आरआई मान को जैव रासायनिक जानकारी या साइटोप्लाज्मिक प्रोटीन एकाग्रता में अनुवादित किया जा सकता है, क्योंकि किसी समाधान का आरआई इसकी एकाग्रता के लिए रैखिक रूप से आनुपातिक होता है। विशेष रूप से, लाल रक्त कोशिकाओं के मामले में, आरआई मान को हीमोग्लोबिन एकाग्रता में परिवर्तित किया जा सकता है। गतिशील कोशिका झिल्ली के उतार-चढ़ाव का माप, जिसे एचटी उपकरण से भी प्राप्त किया जा सकता है, सेलुलर विकृति के बारे में जानकारी प्रदान करता है। इसके अलावा, इन विभिन्न मात्रात्मक मापदंडों को एकल कोशिका स्तर पर प्राप्त किया जा सकता है, जिससे विभिन्न सेलुलर मापदंडों के बीच सहसंबंधी विश्लेषण की अनुमति मिलती है। एचटी का उपयोग लाल रक्त कोशिकाओं के अध्ययन के लिए किया गया है, श्वेत रुधिराणु, रक्त भंडारण, और मधुमेह.

संक्रामक रोग
विभिन्न संक्रामक रोगों के अध्ययन के लिए एचटी की मात्रात्मक लेबल-मुक्त इमेजिंग क्षमता का उपयोग किया गया है। विशेष रूप से, परजीवियों द्वारा आक्रमण की गई मेजबान कोशिकाओं को एचटी का उपयोग करके प्रभावी ढंग से चित्रित और अध्ययन किया जा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि परजीवियों के धुंधलापन या लेबलिंग के लिए जटिल तैयारी प्रक्रिया की आवश्यकता होती है और कई परजीवियों में धुंधलापन/लेबलिंग बहुत प्रभावी नहीं होती है। व्यक्तिगत लाल रक्त कोशिकाओं पर प्लास्मोडियम फाल्सीपेरम या मलेरिया उत्प्रेरण परजीवियों के आक्रमण को एचटी का उपयोग करके मापा गया था। मेजबान कोशिकाओं और परजीवियों में संरचनात्मक और जैव-भौतिकीय परिवर्तन का व्यवस्थित रूप से विश्लेषण किया गया है। लाल रक्त कोशिकाओं पर बेबसिया परजीवियों के आक्रमण का भी अध्ययन किया गया। टोक्सोप्लाज्मा गोंडी, एक एपिकॉम्प्लेक्सन परजीवी जो टोक्सोप्लाज़मोसिज़ का कारण बनता है, न्यूक्लियेटेड कोशिकाओं को संक्रमित कर सकता है। एचटी का उपयोग करके टी गोंडी संक्रमित कोशिकाओं की 3डी आकृति विज्ञान और जैवभौतिकीय गुणों में परिवर्तन का अध्ययन किया गया।

जैवप्रौद्योगिकी
एचटी का उपयोग करके व्यक्तिगत बैक्टीरिया या सूक्ष्म शैवाल की कोशिका मात्रा और शुष्क द्रव्यमान को प्रभावी ढंग से निर्धारित किया जा सकता है। क्योंकि इसमें सटीक परिमाणीकरण मान प्रदान करते समय धुंधला प्रक्रिया की आवश्यकता नहीं होती है, एचटी का उपयोग इंजीनियर दागों की प्रभावकारिता का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है।

वैज्ञानिक समुदाय
मात्रात्मक चरण इमेजिंग तकनीकों के एक भाग के रूप में, एचटी पर निम्नलिखित सक्रिय वैज्ञानिक सम्मेलन हैं:


 * मात्रात्मक चरण इमेजिंग सम्मेलन, SPIE फोटोनिक्स वेस्ट

एचटी तकनीक और अनुप्रयोगों को वैज्ञानिक पत्रिकाओं के निम्नलिखित विशेष अंकों में शामिल किया गया है:


 * साइटोमेट्री भाग ए, 2019 में लेबल-मुक्त साइटोमेट्री के लिए मात्रात्मक चरण इमेजिंग पर विशेष अंक
 * मात्रात्मक चरण इमेजिंग और बायोफिज़िक्स में इसके अनुप्रयोगों पर शोध विषय, जीवविज्ञान, और चिकित्सा भौतिकी में फ्रंटियर्स में

यह भी देखें

 * मात्रात्मक चरण इमेजिंग
 * डिजिटल होलोग्राफिक माइक्रोस्कोपी
 * होलोग्राफी