A dialogue with the cell: diagnostic real-time technology based on laser interferometry

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

The paper presents a review of current techniques of the interference microscopy of living functioning cells that allow for assessment of the real-time changes of subcellular microstructures with 2D and 3D reconstructions of the images and multifactorial data analysis. It has been shown that new diagnostic information can be obtained within the research methodology of the so-called interactive dialogue with the cell to identify changes in the morphofunctional state of living cells through registration of their realtime response to environmental fluctuations. We describe physical basis of laser interferometry, problems and specifics of interpretation of cell phase pictures. As an illustration to the practical use of the technique in the clinic we present the results of studies on morphofunctional state of peripheral blood platelets in patients with oral malignancies (OM) and various stages of the tumor. Analysis of circulating platelets with a realtime technique of laser interferometry allowed for identification of compensated activation of the platelet compartment of hemostasis in these patients, as well as an association between the severity of cancer and changes of dimensional cell parameters (an increase of the mean diameter and area of circulating platelets by 23.4, 26.8 and 30.3%, and by 30.2, 32.5 and 38.1% in the patients with OM grades II, III and IV, respectively (p < 0,05 for all comparisons)). The necessary condition for a wider implementation of new diagnostic technologies is a critical evaluation of the efficacy of their use in routine practice, identification of their advantages, disadvantages and differences between current and proposed diagnostic platforms.

About the authors

I. A. Vasilenko

Russian State University named after A.N. Kosygin (Technologies. Design. Art);
Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)

Author for correspondence.
Email: vasilenko0604@gmail.com

Irina A. Vasilenko – MD, PhD, Professor, Department of Applied Mathematics and Programming Russian State University named after A.N. Kosygin (Technologies. Design. Art); Head of Research Laboratory Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)

33–1 Sadovnicheskaya ul., Moscow, 117997, 

61/2 Shchepkina ul., Moscow, 129110

Russian Federation

V. B. Metelin

Russian State University named after A.N. Kosygin (Technologies. Design. Art);
Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)

Email: fake@neicon.ru

Vladislav B. Metelin – PhD in Biology, Associate Professor, Chair of Clinical Psychology Russian State University named after A.N. Kosygin (Technologies. Design. Art); Leading Research Fellow, Research Laboratory Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)

33–1 Sadovnicheskaya ul., Moscow, 117997, 

61/2 Shchepkina ul., Moscow, 129110

Russian Federation

P. S. Ignat'ev

JSC "Production Association "Ural Optical and Mechanical Plant named after Mr. E.S. Yalamov" (UOMZ)

Email: fake@neicon.ru

Pavel S. Ignat'ev – PhD in Physics and Mathematics, Chief Designer 

33B Vostochnaya ul., Ekaterinburg, 620100

Russian Federation

Z. Z. Kardashova

Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)

Email: fake@neicon.ru

Ziver Z. Kardashova – MD, PhD, Senior Research Fellow, Research Laboratory 

61/2 Shchepkina ul., Moscow, 129110

Russian Federation

R. A. Lifenko

Mineralnye Vody District Hospital

Email: fake@neicon.ru

Roman A. Lifenko – MD, PhD, Сhief Physician 

67A Gagarina ul., Mineralnye Vody, 357202

Russian Federation

References

  1. Шляхто ЕВ, Конради АО, Галагудза ММ. Трансляционная медицина: вчера, сегодня, завтра. Вестник Росздравнадзора. 2016;(1):47–51.
  2. Waf A, Mirnezami R. Translational-omics: Future potential and current challenges in precision medicine. Methods. 2018;151:3–11. doi: 10.1016/j.ymeth.2018.05.009.
  3. Park Y, Choi W, Yaqoob Z, Dasari R, Badizadegan K, Feld MS. Speckle-feld digital holographic microscopy. Opt Express. 2009;17(15): 12285–92. doi: 10.1364/OE.17.012285.
  4. Черная ВВ, Боровицкий ВН. Сравнительный анализ современных голографических и интерференционных микроскопов. Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. 2010;(2):36–43.
  5. Вишняков ГН, Левин ГГ, Минаев ВЛ, Цельмина ИЮ. Интерференционная микроскопия субнанометрового разрешения по глубине. Экспериментальные исследования. Оптика и спектроскопия. 2014;116(1):170–5. doi: 10.7868/S003040341401022X.
  6. Тычинский ВП. Когерентная фазовая микроскопия внутриклеточных процессов. Успехи физических наук. 2001;171(6):649–62. doi: 10.3367/UFNr.0171.200106e.0649.
  7. Garini Y, Vermolen BJ, Young IT. From micro to nano: recent advances in high-resolution microscopy. Curr Opin Biotechnol. 2005;16(1): 3–12. doi: 10.1016/j.copbio.2005.01.003.
  8. Shaked NT, Zhu Y, Rinehart MT, Wax A. Twostep-only phase-shifting interferometry with optimized detector bandwidth for microscopy of live cells. Opt Express. 2009;17(18):15585– 91. doi: 10.1364/OE.17.015585.
  9. Tychinsky VP, Tikhonov AN. Interference microscopy in cell biophysics. 1. Principles and methodological aspects of coherent phase microscopy. Cell Biochem Biophys. 2010;58(3): 107–16. doi: 10.1007/s12013-010-9114-z.
  10. Anna T, Srivastava V, Mehta DS, Shakher C. High-resolution full-feld optical coherence microscopy using a Mirau interferometer for the quantitative imaging of biological cells. Appl Opt. 2011;50(34):6343–51. doi: 10.1364/AO.50.006343.
  11. Swedlow JR. Innovation in biological microscopy: current status and future directions. Bioessays. 2012;34(5):333–40. doi: 10.1002/bies.201100168.
  12. Тычинский ВП. Динамическая фазовая микроскопия: возможен ли «диалог» с клеткой? Успехи физических наук. 2007;177(5):535–52. doi: 10.3367/UFNr.0177.200705c.0535.
  13. Казакова ТА, Новиков СМ, Левин ГГ, Максимов ГВ. Исследование состояния цитоплазмы нейрона методом динамической фазовой микроскопии. Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. 2014;(4): 25–31.
  14. Вышенская ТВ, Болотова АА, Василенко ИА, Звержховский ВД, Болдырев ДВ, Кретушев АВ, Евдокимов АА. Метод определения цитотоксического потенциала по фазовым изображениям CD8+ лимфоцитов. Биофизика. 2016;61(3):523–7.
  15. Jiang W, Yin Z. Seeing the invisible in differential interference contrast microscopy images. Med Image Anal. 2016;34:65–81. doi: 10.1016/j.media.2016.04.010.
  16. Cherkezyan L, Zhang D, Subramanian H, Capoglu I, Taflove A, Backman V. Review of interferometric spectroscopy of scattered light for the quantifcation of subdiffractional structure of biomaterials. J Biomed Opt. 2017;22(3):30901. doi: 10.1117/1.JBO.22.3.030901.
  17. Власова ЕА, Василенко ИА, Суслов ВП, Пашкин ИН. Динамика морфометрических показателей тромбоцитов периферической крови как критерий оценки тромбогенности диализных мембран. Урология. 2011;(2): 36–41.
  18. Лысенко МА, Метелин ВБ, Баранова НВ. Опыт применения инновационных клеточных технологий в диагностике эндометриоидных кист яичников. Медицинский вестник Северного Кавказа. 2012;2(26):33–6.
  19. Золотовская ИА, Давыдкин ИЛ, Лимарева ЛВ, Сустретов АС. Взаимосвязь эндотелиальной дисфункции и параметров оксигенации мембран эритроцитов у пациентов с фибрилляцией предсердий, перенесших кардиоэмболический инсульт. Успехи геронтологии. 2018;31(3):379–86.
  20. Gjörloff-Wingren A. Quantitative phase-contrast imaging-A potential tool for future cancer diagnostics. Cytometry A. 2017;91(8):752–3. doi: 10.1002/cyto.a.23104.
  21. Bettenworth D, Bokemeyer A, Poremba C, Ding NS, Ketelhut S, Lenz P, Kemper B. Quantitative phase microscopy for evaluation of intestinal inflammation and wound healing utilizing label-free biophysical markers. Histol Histopathol. 2018;33(5):417–32. doi: 10.14670/HH-11-937.
  22. Левин ГГ, Золотаревский СЮ. Количественная фазовая микроскопия на основе принципов интерференционной рефрактометрии. Метрология. 2008;(3):15–21.
  23. Игнатьев ПС, Индукаев КВ, Лопарев АВ, Осипов ПА. Исследование оптических свойств наноструктур методом модуляционной интерференционной микроскопии. Оптический журнал. 2011;78(1):26–31.
  24. Булыгин ФВ, Золотаревский СЮ, Кононогов СА, Илюшин ЯА, Левин ГГ, Лясковский Л. Анализ методов сверхразрешения в оптической интерференционной микроскопии. Метрология. 2013;(8):22–30.
  25. Болотова АА, Звержховский ВД, Вышенская ТВ, Кретушев АВ, Евдокимов АА. Информативность фазовых изображений биологических клеток. В: Булатов МФ, ред. Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике («МНТК ФТИ-2017»). Сборник научных трудов. Вып. 23. М.: МИРЭА; 2017. c. 616–9.
  26. Kvilekval K, Fedorov D, Obara B, Singh A, Manjunath BS. Bisque: a platform for bioimage analysis and management. Bioinformatics. 2010;26(4):544–52. doi: 10.1093/bioinformatics/btp699.
  27. Hiner MC, Rueden CT, Eliceiri KW. SCIFIO: an extensible framework to support scientifc image formats. BMC Bioinformatics. 2016;17(1): 521. doi: 10.1186/s12859-016-1383-0.
  28. Contursi A, Grande R, Dovizio M, Bruno A, Fullone R, Patrignani P. Platelets in cancer development and diagnosis. Biochem Soc Trans. 2018;46(6):1517–27. doi: 10.1042/BST20180159.
  29. Василенко ИА, Гаспарян СА, Антонова ИШ, Савушкин АВ, Бабакова СВ. Динамика показателей тромбоцитарного звена гемостаза при физиологическом течении беременности. Вопросы гинекологии, акушерства и перинатологии. 2006;5(4):5–12.
  30. Heemskerk JW, Mattheij NJ, Cosemans JM. Platelet-based coagulation: different populations, different functions. J Thromb Haemost. 2013;11(1):2–16. doi: 10.1111/jth.12045.
  31. Osman A, Hitzler WE, Provost P. The platelets' perspective to pathogen reduction technologies. Platelets. 2018;29(2):140–7. doi: 10.1080/09537104.2017.1293806.
  32. Olsson AK, Cedervall J. The pro-inflammatory role of platelets in cancer. Platelets. 2018;29(6): 569–73. doi: 10.1080/09537104.2018.1453059.
  33. Сомонова ОВ, Маджуга АВ, Елизарова АЛ. Тромбозы и тромбоэмболии в онкологии. Современный взгляд на проблему. Злокачественные опухоли. 2014;(3):172–6. doi: 10.18027/2224-5057-2014-3-172-176.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2018 Vasilenko I.A., Metelin V.B., Ignat'ev P.S., Kardashova Z.Z., Lifenko R.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies