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Aug 16, 2023

Nature Methods volume 20, páginas 1183–1186 (2023)Cite este artigo

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Open-3DSIM é uma plataforma de reconstrução de código aberto para microscopia de iluminação estruturada tridimensional. Demonstramos seu desempenho superior para supressão de artefatos e reconstrução de alta fidelidade em relação a outros algoritmos em várias amostras e em uma variedade de níveis de sinal-ruído. O Open-3DSIM também oferece a capacidade de extrair a orientação dipolo, abrindo um novo caminho para a interpretação de estruturas subcelulares em seis dimensões (xyzθλt). A plataforma está disponível como código MATLAB, um plugin Fiji e um aplicativo Exe para maximizar a facilidade de uso.

A microscopia de iluminação estruturada (SIM) é a modalidade de super-resolução mais universalmente implementada nas ciências da vida porque oferece imagens longitudinais rápidas com baixa fototoxicidade e é altamente compatível com marcação fluorescente . Com o florescimento do SIM, uma variedade de algoritmos de reconstrução de código aberto foram desenvolvidos, como OpenSIM4, fairSIM5, SIMtoolbox6, HiFi-SIM7 e assim por diante. A disponibilidade de software de código aberto também impulsiona plataformas de hardware SIM personalizadas, como SLM-SIM8, DMD-SIM9, galvanômetro-SIM10, Hessian-SIM11 e assim por diante. A combinação de software e hardware criou uma comunidade aberta e produtiva para pesquisadores de SIM.

Comparado com o 2DSIM, o 3DSIM duplica a resolução ao longo do eixo z1,12,13,14, bem como no plano xoy. Algoritmos de reconstrução 3DSIM podem ser encontrados em sistemas comerciais como GE OMX e Nikon N-SIM, ou software de código aberto como Cudasirecon1, AO-3DSIM14, SIMnoise15 e 4BSIM16. No entanto, as soluções comerciais estão limitadas a plataformas específicas de microscopia. As soluções de código aberto são todas ferramentas específicas para resolver certos problemas de imagem e são inadequadas para reconstrução 3DSIM genérica. Eles também podem levar a artefatos graves ou oferecer pouca facilidade de uso. Pelo contrário, no campo do 2DSIM ou 3DSIM de camada única, o OpenSIM4 explica sistematicamente o princípio da reconstrução do SIM; fairSIM5 integra o algoritmo em Fiji para facilitar o uso por pesquisadores biológicos; O HiFi-SIM7 otimiza notavelmente os resultados da reconstrução e possui uma interface gráfica amigável. A falta de um software 3DSIM multicamadas conveniente impede que os usuários o acessem e utilizem, e artefatos sérios desafiam a fidelidade e a confiabilidade do 3DSIM. Portanto, uma ferramenta de reconstrução 3DSIM bem estabelecida e fácil de usar é urgentemente necessária no campo 3DSIM para garantir o seu desenvolvimento.

Para atender a essa necessidade, relatamos aqui o Open-3DSIM, que pode fornecer reconstrução 3DSIM multicamadas superior e robusta. Preparamos a versão Fiji para torná-la facilmente acessível para usuários biológicos; fornecer resultados intermediários para ajudar os especialistas em hardware a verificar seus dados 3DSIM construídos em casa e abrir códigos-fonte modulares para desenvolvedores de software para impulsionar seus desenvolvimentos futuros. Através de comparações com diferentes algoritmos em várias amostras e níveis de sinal-ruído (SNR), demonstramos que o Open-3DSIM oferece desempenho superior devido à otimização da estimativa de parâmetros e filtragem espectral, resultando em reconstruções de alta fidelidade com artefatos mínimos e informações fracas preservadas. Além disso, o Open-3DSIM pode extrair as informações inerentes à orientação do dipolo, liberando todo o potencial do 3DSIM na reconstrução multicamada, multicolorida, polarização e super-resolução com lapso de tempo.

O princípio do Open-3DSIM é mostrado na Figura Complementar 1 e na Nota Complementar 1. O padrão de iluminação estruturada tridimensional (3D) é gerado pela interferência de três feixes através da difração de grade. Em seguida, os dados da pilha 3D são obtidos camada por camada, convertidos para o domínio da frequência e separados por uma matriz de separação de fases. Os componentes de ± primeira frequência separados são deslocados para preencher o cone com vazamento do componente de frequência zero, e os componentes de ± segunda frequência são deslocados para expandir a faixa do espectro do plano xoy. Assim, o 3DSIM duplica a faixa espectral em comparação com o campo amplo, preenchendo o 'cone ausente' em uma função de conversão óptica (OTF) (Extended Data Fig. 1 e Notas Suplementares 1 e 2) e obtendo resultados de super-resolução 3D.