Label-free nanoscopy of living cells through nanoscale refractive index profiler

Hver gjenstand sprer lys. Mengden og retningen for spredning av lys er gitt av brytningsindeksen til objektet, som er en signatur til objektet. Cellene i kroppen vår har mange subcellulære strukturer på nanoskala, som hver har en spesifikk brytningsindeks. Hvis vi kan estimere brytningsindeksen på hvert punkt i 3D-volumet til cellen med nanometerpresisjon og høy følsomhet, kan vi identifisere de subcellulære strukturene uten å bruke de for tiden populære, men giftige fluorescerende fargestoffene. Dette vil gjøre det mulig å avbilde celler og deres funksjoner i deres naturlige tilstand i lang tid. NanoRIP vil gjøre dette mulig. Vi har vært i stand til å avkrefte myten om at bruk av fotoniske substrater med høy brytningsindeks alltid forbedrer oppløsningen. Vi har også etablert flere arbeider i krysset mellom fysikk, matematikk, ingeniørfag som er grunnleggende for å fylle hullene mellom fluorescensoppløsning og spredningsoppløsning. Disse arbeidene baner veien mot spredning av superoppløsning slik at vi kan løse problemet med nanometerskala. Vi har også vært i stand til å gjennomføre en første studie noensinne av ikke-lineære fullbølgeløsere for kun intensitetsmikroskopidata. Den viser de viktigste begrensningene som pålegges av mikroskopet som et instrument og peker på noen passende mikroskopdesignmodifikasjoner. Vi har deltatt i populærvitenskapelig og offentlig oppsøking gjennom Digital Life Norway, Arctic Optica Student-kapittelet, nettsiden og LinkedIn. Vi har deltatt på innovasjonsarrangement Nordic Life science days, og også vært synlige i nasjonale nyheter. Vi deltok også i Digital Life Norway sin innovasjonspilot.

Imaging live cells with resolution <100 nm is important for designing treatment of various diseases. Fluorescent nanoscopy provides resolution, but fluorescent labeling is invasive and toxic to cells. Raman imaging uses no labels but is highly phototoxic. Label-free nanoscopy in linear optics is minimally invasive and toxic, but faces a resolution barrier of 100 nm (lateral) and 150 nm (axial). nanoRIP breaks this resolution barrier, provides 3D resolution of 70 nm by reconstructing the 3D refractive index (RI) profile of cells, and sets a new paradigm in nanoscopy. nanoRIP exploits the information-rich multiple scattering (MS) between the cell organelles, which non-linearly encodes the RI of organelles into the light back-scattered by them. MS contributes a minuscule component to the back-scattered light. The resolution barrier results from the inability to sense and decode this component. nanoRIP mitigates this challenge using a novel approach where innovatively designed instrument and algorithm work in tandem for exploitation of MS. The novel microscope removes all the ambient light to sense this component and its polarization. The novel algorithm decodes MS from this component through a physics solver with robust priors. nanoRIP enables imaging of complex spatiotemporal interplay of cell organelles in living cells at nanometer scale for long durations (~hrs). It will lead to new insights into sub-cellular processes underlying several diseases and lead to new avenues of treatments. For proof-of-concept, nanoRIP will study the lipid processes in the muscle cells of heart that can lead to heart failure. nanoRIP will place Norway as a leader in label-free nanoscopy. nanoRIP will serve biologists in Norway as a national technology platform.