通过测量生物分子的介电常数张量 （PT），可以对生物分子的干质量和取向进行无标记成像，但PT的3D成像一直具有挑战性。美国旧金山Chan Zuckerberg Biohub研究中心的Shalin B. Mehta团队提出了一种无标记计算显微镜技术：PTI（Permittivity Tensor Imaging），用于PT的3D测量，该技术在解析细胞器、细胞和组织的 3D取向和对称性方面优于传统的无标记成像技术。该篇文献于2024年6月发表在Nature Methods，题目为“Permittivity tensor imaging: modular label-free imaging of 3D dry mass and 3D orientation at high resolution”。
背景介绍
生物分子在可见波长下是电介质，但不导电，介电材料的相对介电常数量化了束缚电子被施加的电场极化的程度。各向异性结构可以用PT来描述，表征介电材料在空间中每一点的介电常数。目前已报道的方法以不同程度的完整性测量了PT。一些方法采用几何成像模型，无法实现衍射极限分辨率。而传统无标记成像技术在解析细胞器、细胞和组织3D取向和对称性方面存在局限性。
PTI技术原理
l 光路设计：PTI技术在宽场显微镜上增加倾斜照明器和偏振成像模块就可以实现。倾斜照明器由滤光片、线偏振片、LCD可编程振幅调制器、右旋圆偏振片、聚光镜组成。偏振成像模块由显微镜物镜、筒镜和四通道偏振相机组成。
l 介电常数张量：单轴 PT 的等效分解为4个光学特性：平均介电常数、差分介电常数、对称轴的 3D 取向和光性符号。平均介电常数反映生物分子的干质量，与相位测量有关；差分介电常数反映生物分子的各向异性，与偏振测量有关；光性符号反映PT的对称类型。
l 图像中编码PT：采用扇形照明与低NA明场照明相结合，可以更均匀地传输所有张量分量的3D空间频率。
l PT重建解码：将测量强度转换为Stokes参数并进行背景校正，再利用反演算法将Stokes参数转换为光学特性。
图1 PTI成像原理示意图
PTI的技术优势
1. PTI首次以衍射极限分辨率实现了生物材料的干质量和3D取向的体成像测量。
2. PTI实现了生物样品光性符号的直接测量。
3. 提出的矢量衍射模型和反演算法平衡了精度和计算复杂度之间的权衡。它们可以用于提高新兴的非全息无标记矢量成像系统的精度和分辨率。
应用实例
1. 成年小鼠脑切片结构的多尺度成像
在采用低倍镜（NA=0.55）时，PTI技术可以测量髓鞘的整体各向异性。而采用高倍镜（NA=1.47）时，PTI技术对脑组织进行了高分辨率成像，分辨率为~0.23×0.23×0.8 μm，并且测量单个轴突的3D取向分布。测量的差分介电常数可以更准确地可视化轴突的分布。因此，PTI技术可用于快速、定量分析大脑不同区域中轴突的分布。
2. 感染细胞的PTI和荧光成像
PTI技术结合荧光成像可以用于识别SARS-CoV-2感染的CMs和RSV感染的A549细胞的细胞器结构变化。平均介电常数和差分介电常数可用于观察肌节结构，可分辨Z盘和I带。因此PTI有望成为一种观测肌节结构、成熟度和细胞病变效应的方法。
图2 SARS-CoV-2感染后iPS细胞源性CMs结构的成像物理和分子变化
对心脏组织切片PTI成像，在平均介电常数通道可观察到Z盘，在差介电常数通道可观察到A带。在子宫切片成像中，在平均介电常数通道中可观察到电子致密核和胶原纤维，差介电常数通道中可观测到各向异性的胶原纤维。胶原纤维的取向是人类乳腺癌的重要预后指标，因此PTI有望在癌症诊断中提供组织物理特性的补充信息。
图3 H&E染色组织学切片的 PTI成像
结果讨论
简单的光学设计使其易于将PTI与其他宽场成像模式结合，例如荧光、H&E 染色和空间转录组学。未来反演算法改进的方面包括：(1) 使用校准的成像光瞳，类似于使用校准偏振响应，以便在存在像差的情况下进行精确成像；(2) 减少正则化参数的数量，提高用户友好性；(3) 扩展能应用厚标本的模型。此外，可以通过采用对相位和偏振分集更快的电子控制以及更先进的LCD面板来提高PTI采集速度，从而实现活细胞和组织的成像。
原文链接：Yeh, LH., Ivanov, I.E., Chandler, T. et al. Permittivity tensor imaging: modular label-free imaging of 3D dry mass and 3D orientation at high resolution. Nat Methods 21, 1257–1274 (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02291-w
[注：本文内容基于Nature Methods杂志上发表的论文，版权归原作者所有。]
