Advancing fluorescence microscopy for improved spatio-temporal resolution
Tid: Må 2025-02-03 kl 13.00
Plats: Sal Air & Fire, Tomtebodavägen 23, Solna
Språk: Engelska
Respondent: Maximilian Senftleben , Biofysik
Opponent: Professor Lothar Schermelleh,
Handledare: Professor Hjalmar Brismar, Science for Life Laboratory, SciLifeLab, Biofysik
QC 2025-01-08
Abstract
Fluorescensmikroskopi är en kraftfull observationsteknik som gör det möjligt för forskare att visualisera biologiska strukturer och processer i celler och vävnader med hög kontrast. Utvecklingen av fluorescensmikroskopitekniker fortskrider snabbt, med ökande spatial och temporal upplösning. Möjligheten att observera levande prover i tre dimensioner är särskilt värdefull eftersom det gör det möjligt att studera komplexa dynamiska processer i hela organismer.
Under de senaste åren har flera superupplösningsmikroskopitekniker utvecklats. Dessa tekniker kringgår den fysiska diffraktionsgränsen för upplösning och möjliggör observation av finare detaljer. Dessa tekniker är dock vanligtvis långsammare än diffraktionsbegränsade motsvarigheter. Multifokusmikroskopi är en ljusfältsmikroskopiteknik som möjliggör samtidig avbildning av flera fokalplan och kan kombineras med superupplösningsmikroskopi. För analys av större, upp till cm-stora prover, har light-sheetmikroskopi utvecklats till en kraftfull teknik som erbjuder förbättrad axiell kontrast genom optisk snittning och minimerad fototoxicitet tack vare dess ortogonala belysnings- och detektionsgeometri. För ljusfältsmikroskopi som saknar optisk snittningsförmåga kan avfaltning användas för att ändå ge denna funktionalitet. Detta förutsätter att det finns en noggrann karakterisering av mikroskopets punktspridningsfunktion (PSF), som beskriver hur ljus fortplantas genom avbildningssystemet.
Denna avhandling beskriver bidrag till området genom utveckling av avancerade fluorescensmikroskopitekniker och databehandling. I artikel I konstruerade vi ett multifokus-strukturerad-belysningsmikroskop (MF-SIM) med en teoretisk volumetrisk avbildningshastighet på 7 Hz och lateral upplösning på 105 nm. Vi visar dess kapacitet genom att avbilda dynamiken i endoplasmatiskt retikulum och mikrotubuli. I artikel II konstruerade vi ett 25-plans multifokusmikroskop där de 25 fokusplanen registreras simultant på varsin kamera. Vi når en volumetrisk avbildningshastighet på 125 Hz och avbildar dynamiken hos levande Drosophila- larver och C. elegans samt anpassar djupinlärningsmetoder för analysen av bilddata. I artikel III avancerade vi designen av open-source light- sheetmikroskopet descSPIM för att nå högre spatial upplösning och bildkvalitet och visar flerfärgs 3D-avbildning av njur- och lungvävnad. I artikel IV gör vi analyser med ett nyligen utvecklat verktyg för punktspridningsfunktion och ger en experimentell validering med hjälp av data från ljusfältsmikroskopi av fluorescerande kulor och C. elegans.