होलोटोमोग्राफी

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होलोटोमोग्राफी (एचटी) लेज़र कार्यपद्धति है जिसका उपयोग जैसे कि जैविक कोशिकाओं (जीव विज्ञान) और ऊतकों जैसे छोटे सैकड़ों नमूनों के त्रि-आयामी अपवर्तक सूचकांक (आरआई) टोमोग्राफी को मापने के लिए किया जाता है। क्योंकि आरआई स्पष्ट या फेज वस्तुओं के लिए आंतर्निक चित्रण विविधता के रूप में कार्य कर सकता है, आरआई टोमोग्रामों की मापन से सैकड़ों सूक्ष्म फेज वस्तुओं के बिना लेबल वाले मात्रात्मक छवि बना सकता है। नमूनों के 3-डी आरआई टोमोग्राम को मापने के लिए, एचटी होलोग्रफ़ी चित्रण और उलटे स्कैटरिंग के सिद्धांत का किया जाता है। सामान्यत: विभिन्न प्रकार की प्रक्षिप्ति के लिए विभिन्न प्रकार की चमकाने के कोणों पर मूल सिद्धांत का उपयोग करते हुए, नमूने की 2डी होलोग्राफिक छवियों का मापन किया जाता है, इंटरफेरोमेट्रिक छवि के सिद्धांत का उपयोग करते हुए। फिर, इन मल्टीबोडी 2डी होलोग्राफिक छवियों से नमूने की 3डी आरआई टोमोग्राम को इनवर्सली सॉल्व करके पुनर्निर्माण किया जाता है।

इतिहास

पहला सैद्धांतिक प्रस्ताव एमिल वुल्फ द्वारा प्रस्तुत किया गया था,[1] और पहला प्रायोगिक प्रदर्शन फ़र्चर एट अल द्वारा दिखाया गया था।[2] 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 प्रयुक्त किया गया था। एचटी के तकनीकी विकास और अनुप्रयोग दोनों ही अधिक उन्नत हुए हैं। 2012 में पहली व्यावसायिक एचटी कंपनी नैनोलिव[3] 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 3-डी टोमोग्राम (एक्स-रे अवशोषण) को व्युत्क्रम प्रकीर्णन सिद्धांत के माध्यम से पुनर्प्राप्त किया जाता है। एक्स-रे सीटी और लेजर एचटी दोनों ही नियमित तरंगलम्बक तरंगदैर्गिता के लिए हेल्महोल्ट्ज़ समीकरण,का समान मूल अक्षर करते हैं। मोनोक्रोमैटिक तरंग दैर्ध्य के लिए तरंग समीकरण। एचटी को ऑप्टिकल विवर्तन टोमोग्राफी के रूप में भी जाना जाता है।[4]

लाभ और सीमाएँ

पारंपरिक 3डी सूक्ष्मदर्शी तकनीकों की समानता में एचटी निम्नलिखित लाभ प्रदान करता है।

  1. लेबल-मुक्त: सेलुलर मेम्ब्रेन और उपकोशिका अंग संरूप रूप से छवि बनाई जा सकती है बिना किसी बाह्य लेबलिंग एजेंट का उपयोग किए। इसलिए, फोटोटॉक्सिसिटी, फोटोब्लीचिंग, और फोटोडैमेज की कोई समस्या नहीं होती है।
  2. मात्रात्मक इमेजिंग क्षमता: एचटी सीधे सेल के 3D आरआई मानचित्रों को मापता है, जो सामग्रियों के आंतरिक ऑप्टिकल गुण हैं। क्योंकि मापी गई आरआई को कोशिका के द्रव्यमान घनत्व में अनुवादित किया जा सकता है और इस जानकारी का उपयोग करके, कोशिका का द्रव्यमान भी प्राप्त किया जा सकता है।
  3. सटीक और तेज़ माप: एचटी उच्च अंतरिक्ष संकलन प्रदान करती है, सामान्यत: अधिकतर 100 नैनोमीटर तक, और यह तेज छवियों को दर्शाने की क्षमता प्रदान करती है, जिसकी गतिज्ञापक लेंसों और छवि सेंसर की गति के आधार पर कुछ सेकंड से लेकर सैकड़ों सेकंड तक हो सकती है। यह स्पष्ट और गति गतिविधिगत सेल प्रक्रियाओं को कैप्चर करने के लिए उपयुक्त बनाता है।

चूँकि, 3डी आरआई टोमोग्राफी आणविक विशिष्टता प्रदान नहीं करती है। सामान्यतः, सोने के नैनोकण जैसे उल्लेखनीय स्थितियों को छोड़कर, मापी गई आरआई जानकारी सीधे अणुओं या प्रोटीन के बारे में जानकारी से संबंधित नहीं हो सकती है[5] या लिपिड बूंदें[6] जो कोशिका कोशिका द्रव्य की समानता में स्पष्ट रूप से उच्च आरआई मान प्रदर्शित करता है।

अनुप्रयोग

एचटी के अनुप्रयोगों में सम्मिलित हैं:[7]

जीवित कोशिका का 3डी आरआई टोमोग्राम (मैक्रोफेज)

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। एचटी 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।[8] कोशिकाओं में ऑटोफैगी द्वारा प्रोटीसोम क्षरण का नियामक मार्ग एचटी का उपयोग करके अध्ययन किया गया था।[9]

सहसंबंधी इमेजिंग

सहसंबंधी इमेजिंग के लिए एचटी का उपयोग अन्य इमेजिंग कार्य-विधि के साथ किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एचटी और प्रतिदीप्ति इमेजिंग का संयोजन सहक्रियात्मक विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण को सक्षम बनाता है।[10][11] एचटी संरचनात्मक जानकारी प्रदान करता है जबकि प्रतिदीप्ति संकेत आणविक विशिष्ट इमेजिंग प्रदान करता है, जो पोजीट्रान एमिशन टोमोग्राफी (पीईटी) और सीटी के अनुरूप ऑप्टिकल है। एचटी का उपयोग करके सहसंबंध इमेजिंग दृष्टिकोण के लिए विभिन्न दृष्टिकोण बताए गए हैं।

लिपिड मात्रा का ठहराव

कोशिकाओं के अंदर लिपिड बूँदें ऊर्जा संचयन और अवशोषण के महत्वपूर्ण कार्य ग्रहण करती 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 समानता 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।[12] हाल ही में, फोम कोशिकाओं में लिपिड बूंदों को मापकर लोबेग्लिटाज़ोन 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।[13]

प्रायोगिक प्रयोगशाला

एचटी विभिन्न मात्रात्मक छवि 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।[14] विशेष रूप से, लाल रक्त कोशिकाओं के स्थितियों 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 अतिरिक्त, 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,[15] श्वेत रुधिराणु,[16] रक्त भंडारण,[17] और मधुमेह के अध्ययन के लिए किया गया है।[18]

संक्रामक रोग

एचटी की मात्रात्मक और लेबल-मुक्त छवि क्षमता का उपयोग विभिन्न संक्रामक बीमारियों के अध्ययन के लिए 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 स्टेनिंग या 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।[19] 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।[20] टोक्सोप्लाज्मा गोंडी, 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।[21]

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।[22] 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 भाग के रूप में, एचटी पर निम्नलिखित सक्रिय वैज्ञानिक सम्मेलन हैं:

एचटी कार्यपद्धति और अनुप्रयोगों को वैज्ञानिक पत्रिकाओं के निम्नलिखित विशेष अंकों में सम्मिलित किया गया है:

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Wolf, Emil (1969). "होलोग्राफिक डेटा से अर्ध-पारदर्शी वस्तुओं का त्रि-आयामी संरचना निर्धारण". Optics Communications. 1 (4): 153–156. Bibcode:1969OptCo...1..153W. doi:10.1016/0030-4018(69)90052-2.
  2. ↑ Fercher, A.F.; Bartelt, H.; Becker, H.; Wiltschko, E. (1979). "Image formation by inversion of scattered field data: experiments and computational simulation". Applied Optics. 18 (14): 2427–39. Bibcode:1979ApOpt..18.2427F. doi:10.1364/AO.18.002427. PMID 20212679.
  3. ↑ "घर". nanolive.ch (in English). Retrieved 2020-08-26.
  4. ↑ Lauer, V (2002). "ऑप्टिकल विवर्तन टोमोग्राफी के लिए नया दृष्टिकोण विवर्तन टोमोग्राफी का एक वेक्टर समीकरण और एक नया टोमोग्राफिक माइक्रोस्कोप प्रदान करता है". Journal of Microscopy. 205 (2): 165–176. doi:10.1046/j.0022-2720.2001.00980.x. PMID 11879431. S2CID 30791056.
  5. ↑ Kim, Doyeon (2016). "Label-free high-resolution 3-D imaging of gold nanoparticles inside live cells using optical diffraction tomography". bioRxiv 10.1101/097113.
  6. ↑ Kim, Kyoohyun (2016). "जीवित हेपेटोसाइट्स में लिपिड बूंदों की त्रि-आयामी लेबल-मुक्त इमेजिंग और मात्रा का ठहराव". Scientific Reports. 6: 36815. arXiv:1611.01774. Bibcode:2016NatSR...636815K. doi:10.1038/srep36815. PMC 5118789. PMID 27874018.
  7. ↑ Park, YongKeun (2018). "बायोमेडिसिन में मात्रात्मक चरण इमेजिंग". Nature Photonics. 12 (10): 578–589. Bibcode:2018NaPho..12..578P. doi:10.1038/s41566-018-0253-x. PMID 26648557. S2CID 126144855.
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  9. ↑ Choi, Won Hoon (11 August 2020). "बाधित प्रोटीसोम्स के स्तनधारी प्रोटीफैगी के दौरान एग्रेसोमल ज़ब्ती और STUB1-मध्यस्थता सर्वव्यापकता". PNAS. 117 (32): 19190–19200. doi:10.1073/pnas.1920327117. PMC 7430983. PMID 32723828.
  10. ↑ Kim, Y. S.; Lee, S.; Jung, J.; Shin, S.; Choi, H. G.; Cha, G. H.; Park, W.; Lee, S.; Park, Y. (2018). "सेल पैथोफिजियोलॉजी के अध्ययन के लिए त्रि-आयामी मात्रात्मक चरण इमेजिंग और प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी का संयोजन". Yale J Biol Med. 91 (3): 267–277. PMC 6153632. PMID 30258314.
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  12. ↑ Kim, Kyoohyun; Lee, Seoeun; Yoon, Jonghee; Heo, Jihan; Choi, Chulhee; Park, Yongkeun (2016). "जीवित हेपेटोसाइट्स में लिपिड बूंदों की त्रि-आयामी लेबल-मुक्त इमेजिंग और मात्रा का ठहराव". Scientific Reports. 6: 36815. arXiv:1611.01774. Bibcode:2016NatSR...636815K. doi:10.1038/srep36815. PMC 5118789. PMID 27874018.
  13. ↑ Park, Sangwoo; Ahn, Jae Won; Jo, Youngju; Kang, Ha-Young; Kim, Hyun Jung; Cheon, Yeongmi; Kim, Jin Won; Park, Yongkeun; Lee, Seongsoo; Park, Kyeongsoon (2020). "लक्षित नैनोड्रग्स के मशीन-लर्निंग-असिस्टेड चिकित्सीय मूल्यांकन के लिए फोम कोशिकाओं में लिपिड बूंदों की लेबल-मुक्त टोमोग्राफिक इमेजिंग". ACS Nano. 14 (2): 1856–1865. doi:10.1021/acsnano.9b07993. PMID 31909985. S2CID 210087144.
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  20. ↑ HyunJoo, Park (2015). "Characterizations of individual mouse red blood cells parasitized by Babesia microti using 3-D holographic microscopy". Scientific Reports. 5: 10827. arXiv:1505.00832. Bibcode:2015NatSR...510827P. doi:10.1038/srep10827. PMC 4650620. PMID 26039793.
  21. ↑ Firdaus, Egy Rahman; Park, Ji‐Hoon; Lee, Seong‐Kyun; Park, Yongkeun; Cha, Guang‐Ho; Han, Eun‐Taek (2020). "3D morphological and biophysical changes in a single tachyzoite and its infected cells using three-dimensional quantitative phase imaging". Journal of Biophotonics. 13 (8): e202000055. doi:10.1002/jbio.202000055. PMID 32441392. S2CID 218831871.
  22. ↑ Ahn, Jung Ho; Seo, Hogyun; Park, Woojin; Seok, Jihye; Lee, Jong An; Kim, Won Jun; Kim, Gi Bae; Kim, Kyung-Jin; Lee, Sang Yup (2020). "मैनहेमिया द्वारा इष्टतम मैलेट डिहाइड्रोजनेज का उपयोग करके स्यूसिनिक एसिड का उत्पादन बढ़ाया गया". Nature Communications. 11 (1): 1970. doi:10.1038/s41467-020-15839-z. PMC 7181634. PMID 32327663.
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