La tomographie par diffraction optique (ODT) a longtemps été reconnue pour son potentiel dans l'imagerie non invasive sans étiquette des cellules biologiques vivantes. Cependant, un défi majeur survient lorsque l'ODT est appliqué aux plaques de culture cellulaire multi-puits standard, une utilisation d'outils courants dans des conditions de laboratoire réalistes pour des études biologiques. La géométrie de ces plaques de culture cellulaire restreint la gamme des angles d'éclairage obliques, provoquant une perte d'informations critiques à basse fréquence dans les images d'intensité capturées. Il en résulte des détails flous, une réduction du contraste et une résolution dégradée dans les reconstructions tomographiques 3D, en particulier lorsqu'ils travaillent dans des systèmes à hauts nuances (NA). Malgré le potentiel substantiel de l'ODT pour l'imagerie des cellules vivants, ces défis entravent sa large applicabilité pour des environnements biologiques réalistes. La difficulté de surmonter le décalage de l'éclairage est particulièrement problématique pour l'imagerie des cellules vivantes dans des contextes à haut débit, où les plaques de culture cellulaire multi-puits sont indispensables. Cette limitation empêche une reconstruction tomographique précise, ce qui est nécessaire pour analyser les caractéristiques cellulaires fines, et a ainsi un impact sur l'efficacité globale et l'efficacité des systèmes d'imagerie dans la surveillance biologique en temps réel.
Pour surmonter ces défis, les chercheurs du Smart Computational Imaging Laboratory (SCILAB) de l'Université des sciences et de la technologie de Nanjing, dirigée par le professeur Chao Zuo, ont développé une nouvelle technique de tomographie par diffraction ptychographique (DF-FPDT) de Fourier à champ noir. Leurs travaux récents ont été publiés dans le volume 1, numéro 1 de ioptics Le 19 août 2025. Dans cette étude, ils introduisent un cadre d'imagerie innovant qui tire parti d'un éclairage non correspondant pour améliorer l'imagerie à cellules vivantes à contraste élevé. En mettant sélectivement les composants à haute fréquence inhérents aux mesures d'intensité et en supprimant les artefacts d'arrière-plan à basse fréquence, le DF-FPDT aborde les limites de la tomographie par diffraction optique conventionnelle. Cette technique révolutionnaire permet des reconstructions 3D à haute résolution et à contraste élevé tout en conservant les avantages volumétriques, quantitatifs et non interférométriques de la tomographie par diffraction ptychographique traditionnelle de Fourier (FPDT).
Le professeur Zuo explique brièvement la signification de cette méthode, indiquant, « Le DF-FPDT exploite un éclairage non apparenté de manière unique pour mettre à jour sélectivement uniquement les composants à haute fréquence, améliorant les détails structurels fins sans avoir besoin de matériel supplémentaire ou de post-traitement. Cela fournit un outil puissant pour l'imagerie des cellules vivantes, le maintien des avantages principaux du FPDT tout en abordant les limitations posées par les configurations de laboratoire standard. »
Pour valider les performances du DF-FPDT, les simulations et les mesures expérimentales ont démontré sa capacité à améliorer le contraste structurel et à améliorer la qualité de l'image. Les tomogrammes reconstruits 3D générés à l'aide de DF-FPDT montrent une forte similitude structurelle entre les résultats simulés et expérimentaux, et mettant en évidence un contraste supérieur et des détails plus fins par rapport à ceux obtenus en utilisant l'algorithme FPDT traditionnel. Dans l'imagerie des cellules vivantes, le DF-FPDT a réussi à visualiser avec succès les structures subcellulaires complexes et à capturer des processus cellulaires dynamiques, tels que la fusion et la fission mitochondriales, offrant une imagerie en temps réel, à haut contraste et à haute résolution. Ces résultats soulignent le potentiel du DF-FPDT pour obtenir un contraste de champ foncé dans l'imagerie des cellules vivants et facilitent la surveillance cellulaire dynamique dans des conditions de laboratoire standard.
Le professeur Zuo met en évidence le potentiel transformateur du DF-FPDT, indiquant, « DF-FPDT offre un potentiel important pour une application généralisée dans des contextes de laboratoire réalistes, notamment le dépistage des médicaments, l'analyse cellulaire et la surveillance subcellulaire dynamique, l'ouverture de nouvelles possibilités dans la recherche biomédicale. »
Pour l'avenir, le professeur Zuo et son équipe prévoient d'affiner davantage DF-FPDT en intégrant les stratégies d'éclairage adaptatives et les approches basées sur les données telles que la reconstruction basée sur l'apprentissage en profondeur, ce qui pourrait améliorer l'imagerie en temps réel et améliorer encore le contraste. De plus, les développements futurs peuvent inclure l'imagerie à double mode, permettant aux utilisateurs de basculer entre les reconstructions RI optimisées et complètes en fonction de l'application, élargissant considérablement l'utilisation de DF-FPDT dans l'imagerie dynamique des cellules vivantes et l'analyse quantitative.
« Ces améliorations futures révéleront un potentiel encore plus important pour le DF-FPDT dans un large éventail d'applications biomédicales, accélérant les découvertes dans l'imagerie des cellules vivantes et au-delà », « dit le professeur Zuo.
