de.wedoany.com-Bericht: Ein Team der Nanyang Technological University, Singapur, hat eine Bildgebungsstrategie entwickelt, die ohne exogene Marker auskommt und mithilfe der Weitfeld-Interferenzstreuungsmikroskopie (iSCAT) die subzelluläre Dynamik in lebenden Zellen kartiert. Die Studie wurde in PhotoniX Life veröffentlicht. Durch statistische Analyse zufälliger Fluktuationen in iSCAT-Bildsequenzen werden Zellzustände und dynamische Heterogenität ohne Markierung aufgedeckt.
Zellen als dynamische Systeme weisen thermische und aktive Bewegungen ihrer inneren Organellen, Makromoleküle, Membranen und Zytoskelettstrukturen auf, die mit subzellulären Strukturen und Energiezuständen zusammenhängen. Die direkte Visualisierung dieser schnellen und räumlich heterogenen Bewegungen in lebenden Zellen ist herausfordernd, und gängige exogene Marker können das Zellverhalten stören.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, führte das Forschungsteam eine Vollfeldanalyse der Leistungsdichtespektren (PSD) von Hochgeschwindigkeits-iSCAT-Zeitreihen durch. In verschiedenen Zelltypen wurde beobachtet, dass die PSD der iSCAT-Signale in den meisten Zellregionen im Bereich von 30–1250 Hz einem inversen Potenzgesetz folgt: S(f)=βf⁻α. Die angepassten Spektralindizes (α) und Amplituden (β) spiegeln die Charakteristik bzw. Intensität der subzellulären Bewegung wider. Durch Kodierung von α als Farbton, β als Helligkeit und der Anpassungsgüte (R²) als Sättigung wird im HSV-Farbraum (Farbton-Sättigung-Helligkeit) eine zweidimensionale Spektralindexkarte erstellt, die die räumliche Verteilung der Zelldynamik abbildet.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass diese Methode eine markierungsfreie Visualisierung von Zellzustandsänderungen ermöglicht. In HeLa-Zellen unterscheidet die Spektralindexkarte klar zwischen mitotischen und interphasischen Zellen und verfolgt dynamische Übergänge während der Mitose. In durch Wasserstoffperoxid induzierten apoptotischen Zellen zeigt die Karte eine erhöhte Heterogenität, wobei Regionen mit hohem α mit apoptotischen Membranbläschen assoziiert sind. Die Karte erfasst auch Unterschiede in Schilddrüsenkrebszell-Subtypen, die mit dem Malignitätsgrad zusammenhängen: Bei papillärem Schilddrüsenkarzinom (PTC), follikulärem Schilddrüsenkarzinom (FTC) und anaplastischem Schilddrüsenkarzinom (ATC) sinkt der mediane Spektralindexwert mit zunehmendem Malignitätsgrad.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Weitfeld-iSCAT-Bildgebung in Kombination mit der Leistungsspektralindexanalyse als intrinsische optische Auslesemethode für Zellzustände dienen kann. Da keine exogenen Marker erforderlich sind, könnte diese Methode Potenzial für Längsschnittstudien an lebenden Zellen, in der Mechanobiologie, der Krebsforschung sowie der Qualitätsbewertung von Stammzelltherapien haben.
Siehe Artikel: „Label-free mapping of subcellular dynamics using wide-field interferometric scattering microscopy and spectral exponent analysis.“ PhotoniX Life. doi: 10.3724/PXLIFE.2025-0012
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