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Aug 16, 2023

Nature Methods volume 20, pagine 1183–1186 (2023)Citare questo articolo

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Open-3DSIM è una piattaforma di ricostruzione open source per la microscopia a illuminazione strutturata tridimensionale. Dimostriamo le sue prestazioni superiori per la soppressione degli artefatti e la ricostruzione ad alta fedeltà rispetto ad altri algoritmi su vari campioni e su una gamma di livelli segnale-rumore. Open-3DSIM offre anche la capacità di estrarre l'orientamento del dipolo, aprendo una nuova strada per l'interpretazione delle strutture subcellulari in sei dimensioni (xyzθλt). La piattaforma è disponibile come codice MATLAB, un plugin Fiji e un'applicazione Exe per massimizzare la facilità d'uso.

La microscopia a illuminazione strutturata (SIM) è la modalità a super-risoluzione più universalmente implementata nelle scienze della vita perché offre immagini longitudinali veloci con bassa fototossicità ed è altamente compatibile con l'etichettatura fluorescente1,2,3. Con il fiorire della SIM, sono stati sviluppati una varietà di algoritmi di ricostruzione open source, come OpenSIM4, fairSIM5, SIMtoolbox6, HiFi-SIM7 e così via. La disponibilità di software open source potenzia anche le piattaforme hardware SIM personalizzate, come SLM-SIM8, DMD-SIM9, galvanometro-SIM10, Hessian-SIM11 e così via. La combinazione di software e hardware ha creato una comunità aperta e produttiva per i ricercatori SIM.

Rispetto a 2DSIM, 3DSIM raddoppia la risoluzione lungo l'asse z1,12,13,14 così come nel piano xoy. Gli algoritmi di ricostruzione 3DSIM possono essere trovati in sistemi commerciali come GE OMX e Nikon N-SIM o software open source come Cudasirecon1, AO-3DSIM14, SIMnoise15 e 4BSIM16. Tuttavia, le soluzioni commerciali sono limitate a specifiche piattaforme di microscopia. Le soluzioni open source sono tutti strumenti specifici per risolvere determinati problemi di imaging e non sono adatti per la ricostruzione 3DSIM generica. Possono anche portare a gravi artefatti o offrire scarsa facilità d'uso. Al contrario, nel campo del 2DSIM o del 3DSIM single-layer, OpenSIM4 spiega sistematicamente il principio della ricostruzione della SIM; fairSIM5 integra l'algoritmo nelle Fiji per facilitarne l'uso da parte dei ricercatori biologici; HiFi-SIM7 ottimizza notevolmente i risultati della ricostruzione e dispone di un'interfaccia utente grafica user-friendly. La mancanza di un pratico software 3DSIM multistrato impedisce agli utenti di accedervi e utilizzarlo, e gravi artefatti mettono a dura prova la fedeltà e l'affidabilità di 3DSIM. Pertanto, nel campo 3DSIM è urgentemente necessario uno strumento di ricostruzione 3DSIM ben consolidato e di facile utilizzo per garantirne l’ulteriore sviluppo.

Per rispondere a questa esigenza, qui riportiamo Open-3DSIM, che può fornire una ricostruzione 3DSIM multistrato superiore e robusta. Prepariamo la versione Fiji per renderla facilmente accessibile agli utenti biologici; fornire risultati intermedi per aiutare gli specialisti di hardware a controllare i dati 3DSIM realizzati in casa e codici sorgente modulari aperti per gli sviluppatori di software per potenziarne gli sviluppi futuri. Attraverso confronti con diversi algoritmi su vari campioni e livelli di segnale-rumore (SNR), dimostriamo che Open-3DSIM offre prestazioni superiori grazie all'ottimizzazione della stima dei parametri e del filtraggio spettrale, risultando in ricostruzioni ad alta fedeltà con artefatti minimi e informazioni deboli conservate. Inoltre, Open-3DSIM può estrarre le informazioni intrinseche sull'orientamento del dipolo, sbloccando tutto il potenziale di 3DSIM nella ricostruzione multistrato, multicolore, polarizzazione e super-risoluzione time-lapse.

Il principio di Open-3DSIM è mostrato nella Figura 1 supplementare e nella Nota supplementare 1. Il modello di illuminazione strutturata tridimensionale (3D)17 è generato dall'interferenza di tre raggi attraverso la diffrazione reticolare. Quindi, i dati dello stack 3D vengono presi strato per strato, convertiti nel dominio della frequenza e separati da una matrice di separazione di fase. Le componenti separate della ±prima frequenza vengono spostate per riempire il cono che perde la componente a frequenza zero, e le componenti della ±seconda frequenza vengono spostate per espandere la gamma dello spettro del piano xoy. Pertanto, 3DSIM raddoppia la gamma spettrale rispetto al campo ampio riempiendo il "cono mancante" in una funzione di conversione ottica (OTF) (Dati estesi Fig. 1 e Note supplementari 1 e 2) e ottenendo risultati 3D in super risoluzione.