Альманах клинической медицины. 2018; 46: 748-757
Диалог с клеткой: диагностическая real-time технология на основе лазерной интерферометрии
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2018-46-8-748-757Аннотация
В статье дан обзор современных методов интерференционной микроскопии живых функционирующих клеток, позволяющих на макромолекулярном уровне исследовать динамику субклеточных микроструктур в режиме реального времени с формированием двумерных и трехмерных реконструкций изображения и проведением многопараметрового анализа данных. Показана возможность получения новой диагностической информации в рамках научной методологии так называемого интерактивного диалога с клеткой с целью выявления изменений морфофункционального состояния живых клеток при регистрации их отклика на изменение внешних условий в реальном времени. Описаны физические основы лазерной интерферометрии, проблемы и особенности интерпретации фазовых изображений клеток. В качестве иллюстрации практического использования технологии в условиях клиники представлены собственные результаты исследования морфофункционального состояния тромбоцитов периферической крови у пациентов со злокачественными опухолями ротовой полости и разными стадиями опухолевого процесса. Анализ циркулирующей популяции тромбоцитов с использованием технологии лазерной интерферометрии реального времени позволил выявить наличие компенсированной активации тромбоцитарного звена гемостаза у обследованных больных, зависимость между тяжестью онкологического заболевания и изменением размерных параметров клеток (увеличение средних значений диаметра и площади циркулирующих тромбоцитов на 23,4, 26,8 и 30,3%, и на 30,2, 32,5 и 38,1% у пациентов со II, III и IV стадиями злокачественных опухолей ротовой полости соответственно; p < 0,05 для всех сравнений). Отмечено, что условием масштабирования новых диагностических технологий служит проведение критической оценки эффективности их практической реализации, выявление преимуществ, недостатков и различий между существующими и предлагаемыми диагностическими платформами.
Список литературы
1. Шляхто ЕВ, Конради АО, Галагудза ММ. Трансляционная медицина: вчера, сегодня, завтра. Вестник Росздравнадзора. 2016;(1):47–51.
2. Waf A, Mirnezami R. Translational-omics: Future potential and current challenges in precision medicine. Methods. 2018;151:3–11. doi: 10.1016/j.ymeth.2018.05.009.
3. Park Y, Choi W, Yaqoob Z, Dasari R, Badizadegan K, Feld MS. Speckle-feld digital holographic microscopy. Opt Express. 2009;17(15): 12285–92. doi: 10.1364/OE.17.012285.
4. Черная ВВ, Боровицкий ВН. Сравнительный анализ современных голографических и интерференционных микроскопов. Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. 2010;(2):36–43.
5. Вишняков ГН, Левин ГГ, Минаев ВЛ, Цельмина ИЮ. Интерференционная микроскопия субнанометрового разрешения по глубине. Экспериментальные исследования. Оптика и спектроскопия. 2014;116(1):170–5. doi: 10.7868/S003040341401022X.
6. Тычинский ВП. Когерентная фазовая микроскопия внутриклеточных процессов. Успехи физических наук. 2001;171(6):649–62. doi: 10.3367/UFNr.0171.200106e.0649.
7. Garini Y, Vermolen BJ, Young IT. From micro to nano: recent advances in high-resolution microscopy. Curr Opin Biotechnol. 2005;16(1): 3–12. doi: 10.1016/j.copbio.2005.01.003.
8. Shaked NT, Zhu Y, Rinehart MT, Wax A. Twostep-only phase-shifting interferometry with optimized detector bandwidth for microscopy of live cells. Opt Express. 2009;17(18):15585– 91. doi: 10.1364/OE.17.015585.
9. Tychinsky VP, Tikhonov AN. Interference microscopy in cell biophysics. 1. Principles and methodological aspects of coherent phase microscopy. Cell Biochem Biophys. 2010;58(3): 107–16. doi: 10.1007/s12013-010-9114-z.
10. Anna T, Srivastava V, Mehta DS, Shakher C. High-resolution full-feld optical coherence microscopy using a Mirau interferometer for the quantitative imaging of biological cells. Appl Opt. 2011;50(34):6343–51. doi: 10.1364/AO.50.006343.
11. Swedlow JR. Innovation in biological microscopy: current status and future directions. Bioessays. 2012;34(5):333–40. doi: 10.1002/bies.201100168.
12. Тычинский ВП. Динамическая фазовая микроскопия: возможен ли «диалог» с клеткой? Успехи физических наук. 2007;177(5):535–52. doi: 10.3367/UFNr.0177.200705c.0535.
13. Казакова ТА, Новиков СМ, Левин ГГ, Максимов ГВ. Исследование состояния цитоплазмы нейрона методом динамической фазовой микроскопии. Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. 2014;(4): 25–31.
14. Вышенская ТВ, Болотова АА, Василенко ИА, Звержховский ВД, Болдырев ДВ, Кретушев АВ, Евдокимов АА. Метод определения цитотоксического потенциала по фазовым изображениям CD8+ лимфоцитов. Биофизика. 2016;61(3):523–7.
15. Jiang W, Yin Z. Seeing the invisible in differential interference contrast microscopy images. Med Image Anal. 2016;34:65–81. doi: 10.1016/j.media.2016.04.010.
16. Cherkezyan L, Zhang D, Subramanian H, Capoglu I, Taflove A, Backman V. Review of interferometric spectroscopy of scattered light for the quantifcation of subdiffractional structure of biomaterials. J Biomed Opt. 2017;22(3):30901. doi: 10.1117/1.JBO.22.3.030901.
17. Власова ЕА, Василенко ИА, Суслов ВП, Пашкин ИН. Динамика морфометрических показателей тромбоцитов периферической крови как критерий оценки тромбогенности диализных мембран. Урология. 2011;(2): 36–41.
18. Лысенко МА, Метелин ВБ, Баранова НВ. Опыт применения инновационных клеточных технологий в диагностике эндометриоидных кист яичников. Медицинский вестник Северного Кавказа. 2012;2(26):33–6.
19. Золотовская ИА, Давыдкин ИЛ, Лимарева ЛВ, Сустретов АС. Взаимосвязь эндотелиальной дисфункции и параметров оксигенации мембран эритроцитов у пациентов с фибрилляцией предсердий, перенесших кардиоэмболический инсульт. Успехи геронтологии. 2018;31(3):379–86.
20. Gjörloff-Wingren A. Quantitative phase-contrast imaging-A potential tool for future cancer diagnostics. Cytometry A. 2017;91(8):752–3. doi: 10.1002/cyto.a.23104.
21. Bettenworth D, Bokemeyer A, Poremba C, Ding NS, Ketelhut S, Lenz P, Kemper B. Quantitative phase microscopy for evaluation of intestinal inflammation and wound healing utilizing label-free biophysical markers. Histol Histopathol. 2018;33(5):417–32. doi: 10.14670/HH-11-937.
22. Левин ГГ, Золотаревский СЮ. Количественная фазовая микроскопия на основе принципов интерференционной рефрактометрии. Метрология. 2008;(3):15–21.
23. Игнатьев ПС, Индукаев КВ, Лопарев АВ, Осипов ПА. Исследование оптических свойств наноструктур методом модуляционной интерференционной микроскопии. Оптический журнал. 2011;78(1):26–31.
24. Булыгин ФВ, Золотаревский СЮ, Кононогов СА, Илюшин ЯА, Левин ГГ, Лясковский Л. Анализ методов сверхразрешения в оптической интерференционной микроскопии. Метрология. 2013;(8):22–30.
25. Болотова АА, Звержховский ВД, Вышенская ТВ, Кретушев АВ, Евдокимов АА. Информативность фазовых изображений биологических клеток. В: Булатов МФ, ред. Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике («МНТК ФТИ-2017»). Сборник научных трудов. Вып. 23. М.: МИРЭА; 2017. c. 616–9.
26. Kvilekval K, Fedorov D, Obara B, Singh A, Manjunath BS. Bisque: a platform for bioimage analysis and management. Bioinformatics. 2010;26(4):544–52. doi: 10.1093/bioinformatics/btp699.
27. Hiner MC, Rueden CT, Eliceiri KW. SCIFIO: an extensible framework to support scientifc image formats. BMC Bioinformatics. 2016;17(1): 521. doi: 10.1186/s12859-016-1383-0.
28. Contursi A, Grande R, Dovizio M, Bruno A, Fullone R, Patrignani P. Platelets in cancer development and diagnosis. Biochem Soc Trans. 2018;46(6):1517–27. doi: 10.1042/BST20180159.
29. Василенко ИА, Гаспарян СА, Антонова ИШ, Савушкин АВ, Бабакова СВ. Динамика показателей тромбоцитарного звена гемостаза при физиологическом течении беременности. Вопросы гинекологии, акушерства и перинатологии. 2006;5(4):5–12.
30. Heemskerk JW, Mattheij NJ, Cosemans JM. Platelet-based coagulation: different populations, different functions. J Thromb Haemost. 2013;11(1):2–16. doi: 10.1111/jth.12045.
31. Osman A, Hitzler WE, Provost P. The platelets' perspective to pathogen reduction technologies. Platelets. 2018;29(2):140–7. doi: 10.1080/09537104.2017.1293806.
32. Olsson AK, Cedervall J. The pro-inflammatory role of platelets in cancer. Platelets. 2018;29(6): 569–73. doi: 10.1080/09537104.2018.1453059.
33. Сомонова ОВ, Маджуга АВ, Елизарова АЛ. Тромбозы и тромбоэмболии в онкологии. Современный взгляд на проблему. Злокачественные опухоли. 2014;(3):172–6. doi: 10.18027/2224-5057-2014-3-172-176.
Almanac of Clinical Medicine. 2018; 46: 748-757
A dialogue with the cell: diagnostic real-time technology based on laser interferometry
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2018-46-8-748-757Abstract
The paper presents a review of current techniques of the interference microscopy of living functioning cells that allow for assessment of the real-time changes of subcellular microstructures with 2D and 3D reconstructions of the images and multifactorial data analysis. It has been shown that new diagnostic information can be obtained within the research methodology of the so-called interactive dialogue with the cell to identify changes in the morphofunctional state of living cells through registration of their realtime response to environmental fluctuations. We describe physical basis of laser interferometry, problems and specifics of interpretation of cell phase pictures. As an illustration to the practical use of the technique in the clinic we present the results of studies on morphofunctional state of peripheral blood platelets in patients with oral malignancies (OM) and various stages of the tumor. Analysis of circulating platelets with a realtime technique of laser interferometry allowed for identification of compensated activation of the platelet compartment of hemostasis in these patients, as well as an association between the severity of cancer and changes of dimensional cell parameters (an increase of the mean diameter and area of circulating platelets by 23.4, 26.8 and 30.3%, and by 30.2, 32.5 and 38.1% in the patients with OM grades II, III and IV, respectively (p < 0,05 for all comparisons)). The necessary condition for a wider implementation of new diagnostic technologies is a critical evaluation of the efficacy of their use in routine practice, identification of their advantages, disadvantages and differences between current and proposed diagnostic platforms.
References
1. Shlyakhto EV, Konradi AO, Galagudza MM. Translyatsionnaya meditsina: vchera, segodnya, zavtra. Vestnik Roszdravnadzora. 2016;(1):47–51.
2. Waf A, Mirnezami R. Translational-omics: Future potential and current challenges in precision medicine. Methods. 2018;151:3–11. doi: 10.1016/j.ymeth.2018.05.009.
3. Park Y, Choi W, Yaqoob Z, Dasari R, Badizadegan K, Feld MS. Speckle-feld digital holographic microscopy. Opt Express. 2009;17(15): 12285–92. doi: 10.1364/OE.17.012285.
4. Chernaya VV, Borovitskii VN. Sravnitel'nyi analiz sovremennykh golograficheskikh i interferentsionnykh mikroskopov. Vimіryuval'na ta obchislyuval'na tekhnіka v tekhnologіchnikh protsesakh. 2010;(2):36–43.
5. Vishnyakov GN, Levin GG, Minaev VL, Tsel'mina IYu. Interferentsionnaya mikroskopiya subnanometrovogo razresheniya po glubine. Eksperimental'nye issledovaniya. Optika i spektroskopiya. 2014;116(1):170–5. doi: 10.7868/S003040341401022X.
6. Tychinskii VP. Kogerentnaya fazovaya mikroskopiya vnutrikletochnykh protsessov. Uspekhi fizicheskikh nauk. 2001;171(6):649–62. doi: 10.3367/UFNr.0171.200106e.0649.
7. Garini Y, Vermolen BJ, Young IT. From micro to nano: recent advances in high-resolution microscopy. Curr Opin Biotechnol. 2005;16(1): 3–12. doi: 10.1016/j.copbio.2005.01.003.
8. Shaked NT, Zhu Y, Rinehart MT, Wax A. Twostep-only phase-shifting interferometry with optimized detector bandwidth for microscopy of live cells. Opt Express. 2009;17(18):15585– 91. doi: 10.1364/OE.17.015585.
9. Tychinsky VP, Tikhonov AN. Interference microscopy in cell biophysics. 1. Principles and methodological aspects of coherent phase microscopy. Cell Biochem Biophys. 2010;58(3): 107–16. doi: 10.1007/s12013-010-9114-z.
10. Anna T, Srivastava V, Mehta DS, Shakher C. High-resolution full-feld optical coherence microscopy using a Mirau interferometer for the quantitative imaging of biological cells. Appl Opt. 2011;50(34):6343–51. doi: 10.1364/AO.50.006343.
11. Swedlow JR. Innovation in biological microscopy: current status and future directions. Bioessays. 2012;34(5):333–40. doi: 10.1002/bies.201100168.
12. Tychinskii VP. Dinamicheskaya fazovaya mikroskopiya: vozmozhen li «dialog» s kletkoi? Uspekhi fizicheskikh nauk. 2007;177(5):535–52. doi: 10.3367/UFNr.0177.200705c.0535.
13. Kazakova TA, Novikov SM, Levin GG, Maksimov GV. Issledovanie sostoyaniya tsitoplazmy neirona metodom dinamicheskoi fazovoi mikroskopii. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya. 2014;(4): 25–31.
14. Vyshenskaya TV, Bolotova AA, Vasilenko IA, Zverzhkhovskii VD, Boldyrev DV, Kretushev AV, Evdokimov AA. Metod opredeleniya tsitotoksicheskogo potentsiala po fazovym izobrazheniyam CD8+ limfotsitov. Biofizika. 2016;61(3):523–7.
15. Jiang W, Yin Z. Seeing the invisible in differential interference contrast microscopy images. Med Image Anal. 2016;34:65–81. doi: 10.1016/j.media.2016.04.010.
16. Cherkezyan L, Zhang D, Subramanian H, Capoglu I, Taflove A, Backman V. Review of interferometric spectroscopy of scattered light for the quantifcation of subdiffractional structure of biomaterials. J Biomed Opt. 2017;22(3):30901. doi: 10.1117/1.JBO.22.3.030901.
17. Vlasova EA, Vasilenko IA, Suslov VP, Pashkin IN. Dinamika morfometricheskikh pokazatelei trombotsitov perifericheskoi krovi kak kriterii otsenki trombogennosti dializnykh membran. Urologiya. 2011;(2): 36–41.
18. Lysenko MA, Metelin VB, Baranova NV. Opyt primeneniya innovatsionnykh kletochnykh tekhnologii v diagnostike endometrioidnykh kist yaichnikov. Meditsinskii vestnik Severnogo Kavkaza. 2012;2(26):33–6.
19. Zolotovskaya IA, Davydkin IL, Limareva LV, Sustretov AS. Vzaimosvyaz' endotelial'noi disfunktsii i parametrov oksigenatsii membran eritrotsitov u patsientov s fibrillyatsiei predserdii, perenesshikh kardioembolicheskii insul't. Uspekhi gerontologii. 2018;31(3):379–86.
20. Gjörloff-Wingren A. Quantitative phase-contrast imaging-A potential tool for future cancer diagnostics. Cytometry A. 2017;91(8):752–3. doi: 10.1002/cyto.a.23104.
21. Bettenworth D, Bokemeyer A, Poremba C, Ding NS, Ketelhut S, Lenz P, Kemper B. Quantitative phase microscopy for evaluation of intestinal inflammation and wound healing utilizing label-free biophysical markers. Histol Histopathol. 2018;33(5):417–32. doi: 10.14670/HH-11-937.
22. Levin GG, Zolotarevskii SYu. Kolichestvennaya fazovaya mikroskopiya na osnove printsipov interferentsionnoi refraktometrii. Metrologiya. 2008;(3):15–21.
23. Ignat'ev PS, Indukaev KV, Loparev AV, Osipov PA. Issledovanie opticheskikh svoistv nanostruktur metodom modulyatsionnoi interferentsionnoi mikroskopii. Opticheskii zhurnal. 2011;78(1):26–31.
24. Bulygin FV, Zolotarevskii SYu, Kononogov SA, Ilyushin YaA, Levin GG, Lyaskovskii L. Analiz metodov sverkhrazresheniya v opticheskoi interferentsionnoi mikroskopii. Metrologiya. 2013;(8):22–30.
25. Bolotova AA, Zverzhkhovskii VD, Vyshenskaya TV, Kretushev AV, Evdokimov AA. Informativnost' fazovykh izobrazhenii biologicheskikh kletok. V: Bulatov MF, red. Informatika i tekhnologii. Innovatsionnye tekhnologii v promyshlennosti i informatike («MNTK FTI-2017»). Sbornik nauchnykh trudov. Vyp. 23. M.: MIREA; 2017. c. 616–9.
26. Kvilekval K, Fedorov D, Obara B, Singh A, Manjunath BS. Bisque: a platform for bioimage analysis and management. Bioinformatics. 2010;26(4):544–52. doi: 10.1093/bioinformatics/btp699.
27. Hiner MC, Rueden CT, Eliceiri KW. SCIFIO: an extensible framework to support scientifc image formats. BMC Bioinformatics. 2016;17(1): 521. doi: 10.1186/s12859-016-1383-0.
28. Contursi A, Grande R, Dovizio M, Bruno A, Fullone R, Patrignani P. Platelets in cancer development and diagnosis. Biochem Soc Trans. 2018;46(6):1517–27. doi: 10.1042/BST20180159.
29. Vasilenko IA, Gasparyan SA, Antonova ISh, Savushkin AV, Babakova SV. Dinamika pokazatelei trombotsitarnogo zvena gemostaza pri fiziologicheskom techenii beremennosti. Voprosy ginekologii, akusherstva i perinatologii. 2006;5(4):5–12.
30. Heemskerk JW, Mattheij NJ, Cosemans JM. Platelet-based coagulation: different populations, different functions. J Thromb Haemost. 2013;11(1):2–16. doi: 10.1111/jth.12045.
31. Osman A, Hitzler WE, Provost P. The platelets' perspective to pathogen reduction technologies. Platelets. 2018;29(2):140–7. doi: 10.1080/09537104.2017.1293806.
32. Olsson AK, Cedervall J. The pro-inflammatory role of platelets in cancer. Platelets. 2018;29(6): 569–73. doi: 10.1080/09537104.2018.1453059.
33. Somonova OV, Madzhuga AV, Elizarova AL. Trombozy i tromboembolii v onkologii. Sovremennyi vzglyad na problemu. Zlokachestvennye opukholi. 2014;(3):172–6. doi: 10.18027/2224-5057-2014-3-172-176.
