Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Голографической цифровой микроскопии (DHM) является объемный метод, который позволяет после обработки изображений образцов, выполненных толще, чем brightfield микроскопии в сопоставимых резолюции, с упором на 50-100 X. DHM используется здесь для выявления, учета и отслеживания микроорганизмов на очень низкой плотности и по сравнению с измерения оптической плотности, плита count и прямых игр.
Точного обнаружения и подсчета разреженные бактериальные образцы имеет много приложений в продуктов питания, напитков и фармацевтической промышленности, в медицинской диагностике, а также для обнаружения жизни роботов миссиями на другие планеты и спутники солнечной системы. В настоящее время разреженные бактериальные образцы учитываются по культуре обшивка или эпифлуоресцентного микроскопии. Плиты культуры требуют долго инкубационный раз (дней до нескольких недель), и микроскопия помощью эпифлуоресцентного требует обширных окрашивание и концентрации образца. Здесь мы продемонстрируем использование вне оси цифровой голографической микроскопии (DHM) для перечисления бактерий в очень разбавленных культур (100-104 клеток/мл). Во-первых строительство пользовательских DHM обсуждается, а также подробные инструкции по созданию инструмента лоу кост. Обсуждены принципы голографии, и статистическую модель используется для оценки, как долго видео должно быть обнаружить клетки, основанный на оптические характеристики инструмента и концентрация бактерий раствора (Таблица 2) . Видео выявление клеток на 105, 104, 103и 100 клеток/мл свидетельствует в реальном времени с помощью ООН реконструированный голограммы. Реконструкция амплитуды и фазы изображений показано с помощью пакета с открытым исходным кодом.
Определение точной бактериальных отсчетов в очень разбавленных пробах крайне важно во многих приложениях: несколько примеров являются воды и продовольствия качества анализа1,2,3; обнаружение возбудителей в крови, спинномозговой жидкости или мокроты4,5; Производство фармацевтической продукции, в том числе стерильной воды6; и анализ экологического сообщества в олиготрофном средах, например в открытом океане и отложений7,8,9. Растет также интерес к обнаружению возможных сохранившиеся микробной жизни на ледяных лун Юпитера и Сатурна, особенно Europa10,11 и Энцелада12,13, 14, которые, как известно, имеют подземных жидких океанов. Потому что ни одна миссия с Викинг в 1978 году пытался найти сохранившиеся жизнь на другой планете, был ограниченным развитием технологий и инструментов для идентификации бактерий и подсчета голосов во время космических миссий15.
Традиционные методы плита графа найти только culturable клетки, которые могут представлять меньшинство видов экологической штаммов, иногда < 1%16. Пластины требуют дни или недели инкубации для максимального успеха, в зависимости от штамма. Микроскопия помощью эпифлуоресцентного основном заменены плиты счетчики как золотой стандарт для быстрого и точного микробной перечисления. Нуклеиновые кислоты маркировки флуоресцентных красителей, например 4′, 6-diamidino-2-phenylindole дигидрохлорид (DAPI), SYBR зеленый или оранжевый акридин привязанные к нуклеиновые кислоты являются типичными красители, используемые17,18,19 , хотя многие исследования используют люминесцентные Индикаторы грамм подписали20,-21,-22,-23,-24. С помощью этих методов без шаги предварительной концентрации приводит к пределов обнаружения (LOD ' ы) ~ 105 клеток / мл. Улучшения в Лоде можно с помощью фильтрации. Жидкий образец, вакуум фильтруются на мембраны, обычно поликарбоната и идеально черный для уменьшения фона. Низкий фон красителей, таких как пятна ДНК, упомянутые выше могут быть применены непосредственно к фильтр25. Для точного подсчета глаз, ~ 105 клетки необходимы для фильтра, что означает, что для образцов более разбавленного чем клетки5 ~ 10 мл, пользователей.вследствие тома должны быть собраны и фильтруют. Лазерное сканирование устройства были разработаны для того, чтобы систематически исследовать все регионы фильтра и таким образом уменьшить количество клеток, необходимых для подсчета, толкания пределы обнаружения до ~ 102 клеток / мл26. Однако они не доступны в большинстве лабораторий и требуют сложного оборудования, а также программного обеспечения которые позволяют эксперт подтверждение, что наблюдается частиц, бактерий и не мусор.
Для справки, взрослых с сепсисом обычно начинают симптомами на < 100 клеток/мл крови и младенцев в < 10 кл/мл. Ничьей крови от взрослого занимает 10 мл, а от младенца, 1 мл. Методы на основе ПЦР ингибируется наличием микрофлоры человека и непатогенные ДНК и ПЦР ингибирующих компонентами крови27,28. Несмотря на целый ряд новых методов культур остаются золотой стандарт для диагностики инфекций кровотока, особенно в сельских районах или развивающихся стран. Для обнаружения жизни на других планетах термодинамические вычисления можно оценить бюджет энергии для жизни и, таким образом, ожидаемый возможных биомассы. 1 - 100 клеток/мл, как ожидается, будут термодинамически разумные Europa29. Это можно легко увидеть из этих чисел обнаружения очень небольшое количество клеток в больших количествах водный раствор является важной нерешенной проблемой.
В этой статье, мы демонстрируем обнаружения Serratia marcescens и Shewanella oneidensis (одичал тип и не подвижные мутант) в концентрациях 105, 104, 103и 100 клеток/мл, используя вне оси Голографический микроскоп (DHM). Ключевым преимуществом DHM над традиционными световой микроскопии является одновременные снимки объем толстые пробы с высоким разрешением — в этой реализации, камеры образец был толщиной 0,8 мм. Эти образцы камеры были построены софт литография полидиметилсилоксан (PDMS) с высокой точностью алюминиевых плесень с допуском ± 50 мкм. Это представляет приблизительно 100-кратного улучшение в глубине поля над мощной световой микроскопии. DHM также обеспечивает количественную фазу информацию, позволяя для измерения длины оптического пути (продукт преломления и толщина). DHM и подобные методы были использованы для контроля бактерий и дрожжей клеточного цикла и расчет бактериальной сухой массы30,,3132; рассеяние различия может даже использоваться для различения бактериальных штаммов33.
Инструмент, который мы используем на заказ специально для использования с микроорганизмами, как ранее опубликованные34,35, и его дизайн и строительство продемонстрировали и обсуждены. Водные растворы поставляются непрерывно объем 0,25 мкл пример камеру через шприцевый насос; скорость потока определяется частота кадров камеру для обеспечения визуализации объема всей выборки. Статистическое вычисление предсказывает количество образцов томов, которые должны отражаться для того, чтобы обнаружить значительное количество ячеек в данной концентрации.
Для клеток обнаружения приложений реконструкция голограмм в амплитуду и фазу изображения не требуется; анализ проводился на сырье голограммы. Это экономит значительные вычислительные ресурсы и дисковое пространство: 500 МБ голограммы видео будет 1-2 ТБ при реконструкции. Однако мы обсуждаем реконструкции через глубины выборки для подтверждения, что голограмм представляют желаемый вид. Важной особенностью DHM является его способность контролировать интенсивность и фазу изображения. Организмов, которые являются почти прозрачной в интенсивности (например, большинство биологических клеток) появляются четко в фазе. Как это лейбл бесплатно техника, не красители используются. Этопреимущество для возможных космического полета приложений, так как красители могут не пережить условия миссии и — что еще более важно — нельзя работать с внеземных организмов, которые не могут использовать для кодирования ДНК или РНК. Это также преимущество для работы в экстремальных условиях Арктики и Антарктики, где красители могут быть трудно довести до удаленного местоположения и может ухудшиться после хранения. Реконструкция изображений в амплитуде и фазе выполняется с помощью пакета с открытым исходным кодом, который мы сделали доступны на GitHub (шампунь) или ImageJ.
1. рост и перечисление бактерии
Примечание: это применимо к почти любой бактериальный штамм, выращенных в соответствующих средних 36. В нашем примере, мы используем три штамма: Serratia marcescens как общие, легко идентифицируемые лаборатории штамм; и меньше, очень подвижные экологической нагрузки, Shewanella oneidensis MR-1. Для сравнения обнаружения подвижных против не подвижные клетки, не подвижные Shewanella мутант, Δ FlgM, также используется для сравнения 37. Все штаммы выращиваются в бульоне lysogeny (LB).
2. Подготовка весьма разбавленных образцов для DHM
3. Запись видео DHM
4. Расчет плотности клеток и пределы обнаружения
5. Изображение восстановления амплитуда и фаза
Результаты следует указать способность обнаружить живых и мертвых бактерий на очень низких уровнях DHM. Количество бактерий, учитываются должны согласовываться с результатами, полученными с помощью Petroff-Хаузер Счетной палаты и пластины отсчеты. Стандартные статистич?...
Численное реконструкция голограммы: численные реконструкции голограмм, используется метод угловой спектра (АНМ). Это включает в себя свертка голограмма с функция Грина для Вывинтить. Комплекс волновому изображения в частности фокальной плоскости можно рассчитать, используя ...
Авторы не имеют ничего сообщать.
Авторы признают, Гордон и Бетти Мур фонд грантов 4037 и 4038 на Калифорнийский технологический институт для финансирования этой работы.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Bacto Yeast | BD Biosciences | 212750 | |
Bacto Tryptone | BD Biosciences | 211705 | |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | 7710 | Many options for purchase |
Bacto Agar | BD Biosciences | 214010 | |
10 cm Petri dishes | VWR | 10053-704 | |
15 mL culture tubes | Falcon (Corning Life Sciences) | 352002 | Loose-capped |
Petroff-Hauser chamber | Electron Microscopy Sciences | 3920 | |
10 mL syringes | BD Biosciences | 309604 | Luer-Lok tip not necessary |
Male Luer to 1/16” barbed fitting | McMaster-Carr | 51525K291 | |
Autoclavable 1/16” ID PVC tubing for flow | Nalgene | 8000-0004 | Sold by length, purchase accordingly |
Syringe pump | Harvard Apparatus | PHD 2000 | |
Sample Chamber | Custom | n/a | See Materials Section |
Holographic Microscope | Custom | n/a | See Wallace et al. |
Open-source software | Custom | https://github.com/bmorris3/shampoo |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены