Nanoscopic subcellular imaging enabled by ion beam tomography.
Nanoscopic subcellular imaging enabled by ion beam tomography.
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离子束断层扫描实现纳米亚细胞成像。
DOI：
10.1038/s41467-020-20753-5
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发表时间：
2021-02-04
影响因子：
16.6
通讯作者：
Nolan GP
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Coskun AF;Han G;Ganesh S;Chen SY;Clavé XR;Harmsen S;Jiang S;Schürch CM;Bai Y;Hitzman C;Nolan GP
多路复用离子束成像（MIBI）先前已用于在组织切片内的单细胞中以二维描绘多个参数。在这里，三维（3D）亚细胞MIBI的数学和技术框架。离子束断层扫描（IBT）编辑离子束图像，这些图像是在连续的多次扫描中迭代获取的，随后被组装成3D格式，而不会损失深度分辨率。然后将针对离子束定制的反卷积应用于变换的离子图像系列，产生4倍增强的离子束数据立方体。为了进一步生成3D亚离子束宽度精度视觉效果，将孤立的离子分子定位在原始离子束图像中，创建一种称为SILM（二次离子束定位显微镜）的方法，在原始离子图像中提供亚25 nm的精度。利用深度学习，为低密度目标开发了一种高精度的离子束断层图像无参数重建方法。在培养的癌细胞和组织中，IBT可以使用同位素富集和无标记元素分析，以5 nm轴向分辨率实现基因组区域，RNA转录物和蛋白质因子的3D体积分布的可视化。在近大分子分辨率的亚细胞特征的多参数成像由IBT工具实现，作为用于成像质谱的通用生物计算管道。二次离子束质谱（SIMS）是一种获得生物组织化学快照的方法，但空间分辨率低。在这里，作者开发了一种计算和技术管道，以3D和低于25 nm的精度在SIMS中定位化学信号，称为离子束断层扫描
Multiplexed ion beam imaging (MIBI) has been previously used to profile multiple parameters in two dimensions in single cells within tissue slices. Here, a mathematical and technical framework for three-dimensional (3D) subcellular MIBI is presented. Ion-beam tomography (IBT) compiles ion beam images that are acquired iteratively across successive, multiple scans, and later assembled into a 3D format without loss of depth resolution. Algorithmic deconvolution, tailored for ion beams, is then applied to the transformed ion image series, yielding 4-fold enhanced ion beam data cubes. To further generate 3D sub-ion-beam-width precision visuals, isolated ion molecules are localized in the raw ion beam images, creating an approach coined as SILM, secondary ion beam localization microscopy, providing sub-25 nm accuracy in original ion images. Using deep learning, a parameter-free reconstruction method for ion beam tomograms with high accuracy is developed for low-density targets. In cultured cancer cells and tissues, IBT enables accessible visualization of 3D volumetric distributions of genomic regions, RNA transcripts, and protein factors with 5 nm axial resolution using isotope-enrichments and label-free elemental analyses. Multiparameter imaging of subcellular features at near macromolecular resolution is implemented by the IBT tools as a general biocomputation pipeline for imaging mass spectrometry. Secondary ion beam mass spectrometry (SIMS) is a method to obtain a chemical snapshot of biological tissue, but the spatial resolution is low. Here, the authors develop a computational and technology pipeline to localise a chemical signal in SIMS in 3D and sub-25 nm accuracy, called Ion Beam Tomography
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