Nowa metoda mikroskopii ma przyspieszyć analizę tysięcy próbek biologicznych

Badanie dziesiątek tysięcy próbek biologicznych jest jednym z najbardziej czasochłonnych etapów fenotypowego screeningu wykorzystywanego m.in. podczas poszukiwania nowych substancji leczniczych. Dr Shoma Kataoka z Julius-Maximilians-Universität Würzburg otrzymał blisko 220 tys. euro z programu Marie-Skłodowska-Curie Actions na rozwój platformy mikroskopowej, która ma obrazować całe płytki z próbkami bez ich mechanicznego przesuwania, zachowując przy tym rozdzielczość pozwalającą analizować struktury mniejsze niż pół mikrometra.

W artykule:

• dlaczego mikroskopia może ograniczać szybkość fenotypowego screeningu,
• na czym polega projekt „PtychoScreening – Fourier Ptychography Phenotypic Screening”,
• jak mikroskopia ptychograficzna Fouriera pozwala łączyć duże pole widzenia z wysoką rozdzielczością,
• dlaczego badacze chcą zrezygnować z mechanicznego skanowania płytek z próbkami,
• w jaki sposób compressed sensing i nowe algorytmy rekonstrukcji mają przyspieszyć obrazowanie,
• jakie są dalsze plany badawcze Shomy Kataoki w Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

Tysiące próbek podczas poszukiwania nowych leków

Rozwój nowych substancji leczniczych wymaga analizy bardzo dużej liczby próbek. Są one poddawane różnym oddziaływaniom, a następnie oceniane pod kątem zachodzących zmian. W przypadku badań dotyczących nawet pojedynczego potencjalnego leku liczba próbek może sięgać dziesiątek tysięcy.

Jedną z metod stosowanych w takich badaniach jest tzw. screening fenotypowy. Bakterie, komórki lub fragmenty tkanek umieszcza się na płytkach zawierających nawet kilka tysięcy studzienek. Do poszczególnych studzienek trafiają różne substancje, po czym badacze obserwują reakcję materiału biologicznego.

Za pomocą mikroskopów wykonywane są obrazy dokumentujące te reakcje, które następnie poddaje się analizie. Coraz częściej wykorzystuje się w tym celu również metody sztucznej inteligencji, zdolne do identyfikowania subtelnych zmian niewidocznych lub bardzo trudnych do rozpoznania ludzkim okiem.

Wysoka rozdzielczość oznacza niewielkie pole widzenia

Aby rejestrować bardzo drobne szczegóły, konwencjonalne mikroskopy muszą korzystać z obiektywów zapewniających duże powiększenie. Pojawia się jednak istotne ograniczenie: im większe powiększenie, tym mniejszy obszar próbki jest widoczny w pojedynczym obrazie.

W konsekwencji w obrębie jednej studzienki widoczny jest jedynie niewielki fragment materiału biologicznego. Mikroskop musi więc wielokrotnie przesuwać płytkę, aby zarejestrować kolejne obszary tej samej studzienki, a następnie przejść do następnych studzienek.

Przy ogromnej liczbie analizowanych próbek mechaniczne skanowanie całej płytki staje się bardzo czasochłonne. Może również prowadzić do powstawania artefaktów i niepożądanych różnic pomiędzy obrazami. Takie odchylenia mogą być szczególnie problematyczne w przypadku analizy prowadzonej za pomocą algorytmów sztucznej inteligencji, ponieważ system może interpretować techniczne różnice między obrazami jako rzeczywiste zmiany biologiczne.

W rezultacie proces obrazowania może stać się jednym z głównych wąskich gardeł zarówno w badaniach nad nowymi lekami, jak i w innych eksperymentach biologicznych prowadzonych na dużą skalę.

Projekt PtychoScreening w Würzburgu

Problem ten chce rozwiązać dr Shoma Kataoka, rozwijając system mikroskopowy umożliwiający wykonywanie szczegółowych obrazów bez konieczności mechanicznego skanowania całej płytki.

Na realizację projektu „PtychoScreening – Fourier Ptychography Phenotypic Screening” naukowiec otrzymał blisko 220 tys. euro w ramach Marie-Skłodowska-Curie Actions (MSCA) Komisji Europejskiej.

Kataoka pracuje w Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), w zespole prof. Christophe’a Zimmera, zajmującym się zagadnieniami biophotoniki i obliczeniowego obrazowania biologicznego.

Cała płytka w czasie krótszym niż minuta

Cel projektu jest ambitny. Opracowywana platforma mikroskopowa ma w czasie krótszym niż minuta zobrazować kompletną płytkę z próbkami bez konieczności jej przesuwania.

Jednocześnie system ma umożliwiać uwidacznianie struktur mniejszych niż 0,5 mikrometra, czyli rozmiaru porównywalnego z szerokością komórki bakteryjnej. Technologia miałaby znaleźć zastosowanie w badaniach bakterii, komórek oraz tkanek.

Jak wyjaśnia Shoma Kataoka, rejestrowanie wielu tysięcy obrazów poprzez skanowanie płytki pod mikroskopem jest nie tylko czasochłonne, ale może prowadzić do niepożądanych różnic, które nie wynikają z biologii badanych próbek.

Zdaniem naukowca wpływa to na porównywalność i wiarygodność uzyskiwanych danych oraz ogranicza tempo badań nad lekami. Zespół zakłada, że rozwijana platforma może potencjalnie przyspieszyć obecnie stosowane, oparte na sztucznej inteligencji techniki screeningu fenotypowego ponad tysiąckrotnie.

Należy przy tym podkreślić, że jest to deklarowany cel projektu badawczego, a nie przedstawiony w materiale wynik zakończonej walidacji technologii.

Mikroskopia ptychograficzna Fouriera

Podstawą rozwijanej platformy będzie mikroskopia ptychograficzna Fouriera (Fourier ptychographic microscopy). Jest to metoda obrazowania wspomaganego obliczeniowo, w której wykonuje się wiele obrazów o stosunkowo niskiej rozdzielczości przy różnych kątach oświetlenia próbki.

Następnie informacje pochodzące z tych obrazów są matematycznie łączone, prowadząc do rekonstrukcji obrazu o znacznie wyższej rozdzielczości. Takie podejście pozwala jednocześnie obserwować duży obszar analizowanej próbki i uwidaczniać drobne struktury bakterii lub komórek.

Obecna postać tej technologii nie jest jednak jeszcze wystarczająca do bardzo szybkiego badania całych płytek zawierających dużą liczbę próbek. W ramach projektu Kataoka zamierza więc rozwinąć metodę w trzech zasadniczych obszarach.

Rekonstrukcja szczegółów poza ograniczeniem wielkości pikseli

Pierwszym elementem projektu będzie obrazowanie próbek z nieznacznie zmodyfikowanym ustawieniem ostrości. Specjalnie opracowane oprogramowanie ma następnie wykorzystywać uzyskane dane do rekonstrukcji drobniejszych szczegółów, niż mogłoby to wynikać bezpośrednio z fizycznej wielkości pikseli zastosowanej kamery.

Korekcja zniekształceń optycznych

Drugim kierunkiem prac będzie opracowanie nowego algorytmu obliczeniowego służącego do kompensowania zniekształceń występujących podczas obrazowania próbek znajdujących się w płytkach laboratoryjnych.

Zniekształcenia mogą powstawać m.in. wskutek obserwowania materiału przez ścianki komór próbki oraz przez zakrzywioną powierzchnię znajdującej się w nich cieczy. Oprogramowanie ma uwzględniać dokładny kształt i rozmieszczenie elementów płytki mikrotitracyjnej, co powinno umożliwić korekcję tych efektów.

Mniej obrazów dzięki compressed sensing

Trzecim elementem projektu będzie ograniczenie liczby obrazów niezbędnych do uzyskania końcowej rekonstrukcji wysokiej jakości.

Kataoka zamierza wykorzystać w tym celu technikę określaną jako compressed sensing, czyli próbkowanie kompresyjne. Podejście to wykorzystuje fakt, że obrazy próbek biologicznych zawierają dużą ilość informacji redundantnej.

Dzięki odpowiednim metodom matematycznym możliwe ma być odtworzenie wysokiej jakości obrazu końcowego na podstawie znacznie mniejszej liczby wykonanych ekspozycji. Jeżeli rozwiązanie okaże się skuteczne, może to dodatkowo zmniejszyć czas potrzebny do obrazowania całych płytek.

Od inżynierii mechanicznej do obrazowania biologicznego

Shoma Kataoka uzyskał w 2025 roku stopień doktora nauk inżynieryjnych na Osaka University. Wcześniej na tej samej uczelni ukończył studia licencjackie i magisterskie z zakresu inżynierii mechanicznej. W latach 2023–2025 był również stypendystą Japan Society for the Promotion of Science.

Badacz podkreśla, że finansowanie w ramach Marie-Skłodowska-Curie Actions daje mu możliwość prowadzenia bardziej samodzielnych badań w międzynarodowym środowisku naukowym. Projekt pozwala łączyć zagadnienia związane z obrazowaniem z zastosowaniami biologicznymi oraz rozwijać nowe kompetencje dzięki współpracy z innymi badaczami.

Kataoka traktuje projekt również jako ważny etap w kierunku budowy samodzielnej kariery naukowej w dziedzinie obrazowania wspomaganego obliczeniowo.

Najpierw bakterie i inne próbki biologiczne

Finansowanie projektu rozpoczęło się w połowie sierpnia 2026 roku. W pierwszej kolejności naukowiec zamierza ocenić możliwości mikroskopii ptychograficznej Fouriera podczas obrazowania bakterii oraz innych próbek biologicznych.

Celem tego etapu będzie rozpoznanie praktycznych problemów, które trzeba będzie rozwiązać przed wykorzystaniem systemu w fenotypowym screeningu stosowanym podczas prac nad nowymi substancjami leczniczymi.

Projekt znajduje się zatem na etapie rozwoju i oceny technologii. Dopiero dalsze badania pokażą, czy zakładane parametry szybkości obrazowania, rozdzielczości oraz wiarygodności rekonstrukcji zostaną osiągnięte w warunkach odpowiadających wysokoprzepustowym eksperymentom biologicznym.

Źródło: Julius-Maximilians-Universität Würzburg