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Aug 16, 2023

Nature Methods volume 20、pages 1183–1186 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

Open-3DSIM は、3 次元構造化照明顕微鏡用のオープンソース再構成プラットフォームです。 当社は、さまざまな標本および信号対雑音レベルの範囲にわたって、他のアルゴリズムと比較してアーチファクト抑制と高忠実度再構成において優れたパフォーマンスを実証します。 Open-3DSIM は双極子配向を抽出する機能も提供し、6 次元 (xyzθλt) で細胞内構造を解釈するための新しい道を開きます。 このプラットフォームは、MATLAB コード、Fiji プラグイン、および使いやすさを最大限に高める Exe アプリケーションとして利用できます。

構造化照明顕微鏡 (SIM) は、光毒性が低く、高速な縦方向イメージングが可能であり、蛍光標識との互換性が高いため、ライフ サイエンスで最も広く実装されている超解像モダリティです 1,2,3。 SIM の隆盛に伴い、OpenSIM4、fairSIM5、SIMtoolbox6、HiFi-SIM7 など、さまざまなオープンソースの再構成アルゴリズムが開発されました。 オープンソース ソフトウェアの利用可能性により、SLM-SIM8、DMD-SIM9、検流計 SIM10、Hessian-SIM11 などのカスタム構築 SIM ハードウェア プラットフォームも強化されます。 ソフトウェアとハ​​ードウェアを組み合わせることで、SIM 研究者のためのオープンで生産的なコミュニティが生まれました。

2DSIM と比較して、3DSIM は、z 軸 1、12、13、14 および xoy 平面に沿った解像度が 2 倍になります。 3DSIM 再構成アルゴリズムは、GE OMX や Nikon N-SIM などの商用システム、または Cudasirecon1、AO-3DSIM14、SIMnoise15、4BSIM16 などのオープンソース ソフトウェアにあります。 ただし、市販のソリューションは特定の顕微鏡プラットフォームに限定されています。 オープンソース ソリューションはすべて、特定のイメージング問題を解決するためのターゲット固有のツールであり、一般的な 3DSIM 再構成には適していません。 また、重大なアーチファクトが発生したり、ユーザーフレンドリー性が低下したりする可能性もあります。 逆に、2DSIM や単層 3DSIM の分野では、OpenSIM4 が SIM 再構築の原理を体系的に説明しています。 FairSIM5 はアルゴリズムをフィジーに統合し、生物学研究者による使用を容易にします。 HiFi-SIM7 は特に再構成結果を最適化し、使いやすいグラフィカル ユーザー インターフェイスを備えています。 便利なマルチレイヤー 3DSIM ソフトウェアがないため、ユーザーはそれにアクセスして使用することができず、深刻なアーティファクトが 3DSIM の忠実性と信頼性を脅かしています。 したがって、3DSIM 分野のさらなる発展を確実にするために、確立されたユーザーフレンドリーな 3DSIM 再構築ツールが緊急に必要とされています。

このニーズに対処するために、ここでは、優れた堅牢なマルチレイヤー 3DSIM 再構成を提供できる Open-3DSIM を報告します。 生物学的ユーザーが簡単にアクセスできるように、フィジー版を用意しています。 ハードウェア専門家が自作の 3DSIM データをチェックするのに役立つ中間結果を提供し、ソフトウェア開発者が将来の開発を促進するためにモジュラー ソース コードをオープンします。 さまざまな試料および信号対雑音 (SNR) レベルでのさまざまなアルゴリズムとの比較を通じて、Open-3DSIM がパラメータ推定とスペクトル フィルタリングの最適化により優れたパフォーマンスを提供し、アーティファクトを最小限に抑えた高忠実度の再構成が得られることを実証します。弱い情報を保存します。 さらに、Open-3DSIM は固有の双極子配向情報を抽出でき、多層、多色、偏光、およびタイムラプス超解像度再構成において 3DSIM の可能性を最大限に引き出すことができます。

Open-3DSIM の原理を補足図 1 および補足注 1 に示します。三次元（3D）構造照明 17 のパターンは、格子回折による 3 つのビームの干渉によって生成されます。 次に、3D スタック データがレイヤーごとに取得され、周波​​数領域に変換され、位相分離マトリックスによって分離されます。 分離された±第 1 周波数成分はゼロ周波数成分のリーキー コーンを満たすようにシフトされ、±第 2 周波数成分は xoy 平面のスペクトル範囲を拡大するためにシフトされます。 したがって、3DSIM は、光学変換関数 (OTF) (拡張データ図 1 および補足ノート 1 および 2) の「欠けているコーン」を埋め、3D 超解像結果を取得することにより、ワイド フィールドと比較してスペクトル範囲を 2 倍にします。