实时定量观察生物细胞三维形态的数字全息显微方法研究

研究生物细胞在不同生理、病例或特殊条件下的三维形态变化，可促进对生命现象的理解，特别是随着航天事业的发展，研究失重环境下生物细胞的三维形态变化，对中长期载人航天活动中航天员健康保障有重要意义。本项目研究一种不需化学前处理的非破坏性、全视场三维显微成像、可长时间实时定量观察活细胞三维形态的数字全息显微方法，并以一个应用模型- - 采用超导磁体产生磁悬浮失重环境，动态定量观测模拟失重环境下活细胞三维形态变化，验证该方法。首先研究基于全息图非线性频域滤波的干扰项祛除方法；然后为快速重构高保真度的相衬像，研究结合光路补偿和参考全息图的系统像差校正方法；最后研究基于双波长空域复用的相衬像解耦方法，以实现动态定量观察细胞的三维形态。通过本项目研究为现代生命科学的实验观察，特别是为在细胞水平开展模拟失重环境下的生物学效应研究，提供一种新型三维显微成像方法，同时拓展了数字全息显微技术在生命科学领域的应用范围。

研究生物细胞在不同生理、病例或特殊条件下的三维形态变化，可促进对生命现象的理解，特别是随着航天事业的发展，研究失重环境下生物细胞的三维形态变化，对中长期载人航天活动中航天员健康保障有重要意义。本项目研究了一种不需化学前处理的非破坏性、全视场三维显微成像、可长时间实时定量观察活细胞三维形态的数字全息显微方法。首先，针对数字全息记录原理和再现计算方法开展了深入研究。并在全息图滤波、再现算法和再现像的像差校正和相位解包裹等关键环节提出了新方法，发表了多篇高水平学术论文。然后，搭建了实验硬件系统和编制了计算软件系统，并应用于超导磁体，开了动态定量观测模拟失重环境下小鼠成骨样细胞（MG-63）和骨细胞（MLO-Y4）三维形态变化。获得了成骨细胞和骨细胞长期（10小时）处于地基模拟失重力环境下形态变化和分裂过程的相衬图像。世界首次实现长期动态定量观察模拟失重环境下活细胞的形态变化情况。研究成果发表于国际顶级光学期刊Optics Express上（《光学快讯》），并被选为本期的代表性论文——将骨细胞在模拟失重环境下的细胞分裂视频置于期刊网络主页。同时，该论文被OSA出版的旨在报道生物医药光学方面最新研究成果的网络期刊Virtual Journal for Biomedical Optics（《生物医学光学虚拟期刊》）收录。研究结果为分析失重环境下细胞的凋亡、力学感知以及细胞骨架重组等生命现象提供依据与参考。同时，证明了数字全息技术能够为现代生命科学的实验观察，特别是为在细胞水平开展模拟失重环境下的生物学效应研究，提供一种新型三维显微成像方法。