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Aug 16, 2023

Nature Methods volume 20, pages 1183-1186 (2023)Citer cet article

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Open-3DSIM est une plateforme de reconstruction open source pour la microscopie à éclairage structuré tridimensionnel. Nous démontrons ses performances supérieures en matière de suppression d’artefacts et de reconstruction haute fidélité par rapport à d’autres algorithmes sur divers échantillons et sur une gamme de niveaux signal/bruit. Open-3DSIM offre également la capacité d'extraire l'orientation dipolaire, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour l'interprétation des structures subcellulaires en six dimensions (xyzθλt). La plateforme est disponible sous forme de code MATLAB, d'un plugin Fidji et d'une application Exe pour maximiser la convivialité.

La microscopie à illumination structurée (SIM) est la modalité de super-résolution la plus universellement mise en œuvre dans les sciences de la vie, car elle offre une imagerie longitudinale rapide avec une faible phototoxicité et est hautement compatible avec le marquage fluorescent1,2,3. Avec l'essor de la SIM, divers algorithmes de reconstruction open source ont été développés, tels que OpenSIM4, fairSIM5, SIMtoolbox6, HiFi-SIM7, etc. La disponibilité de logiciels open source renforce également les plates-formes matérielles SIM personnalisées, telles que SLM-SIM8, DMD-SIM9, galvanomètre-SIM10, Hessian-SIM11, etc. La combinaison de logiciels et de matériel a créé une communauté ouverte et productive pour les chercheurs SIM.

Par rapport au 2DSIM, le 3DSIM double la résolution le long de l'axe z1,12,13,14 ainsi que dans le plan xoy. Les algorithmes de reconstruction 3DSIM peuvent être trouvés dans des systèmes commerciaux tels que GE OMX et Nikon N-SIM, ou dans des logiciels open source tels que Cudasirecon1, AO-3DSIM14, SIMnoise15 et 4BSIM16. Cependant, les solutions commerciales se limitent à des plateformes de microscopie spécifiques. Les solutions open source sont toutes des outils spécifiques à une cible pour résoudre certains problèmes d’imagerie et ne conviennent pas à la reconstruction 3DSIM générique. Ils peuvent également conduire à de graves artefacts ou offrir une mauvaise convivialité. Au contraire, dans le domaine du 2DSIM ou 3DSIM monocouche, OpenSIM4 explique systématiquement le principe de la reconstruction SIM ; fairSIM5 intègre l'algorithme aux Fidji pour faciliter son utilisation par les chercheurs en biologie ; HiFi-SIM7 optimise notamment les résultats de reconstruction et dispose d'une interface utilisateur graphique conviviale. Le manque de logiciel 3DSIM multicouche pratique empêche les utilisateurs d'y accéder et de l'utiliser, et de sérieux artefacts remettent en question la fidélité et la fiabilité de 3DSIM. Par conséquent, un outil de reconstruction 3DSIM bien établi et convivial est nécessaire de toute urgence dans le domaine 3DSIM pour assurer son développement ultérieur.

Pour répondre à ce besoin, nous rapportons ici Open-3DSIM, qui peut fournir une reconstruction 3DSIM multicouche supérieure et robuste. Nous préparons la version Fidji pour la rendre facilement accessible aux utilisateurs biologiques ; fournir des résultats intermédiaires pour aider les spécialistes du matériel à vérifier leurs données 3DSIM construites en interne et ouvrir les codes sources modulaires aux développeurs de logiciels pour stimuler leurs développements futurs. Grâce à des comparaisons avec différents algorithmes sur divers échantillons et niveaux signal/bruit (SNR), nous démontrons qu'Open-3DSIM offre des performances supérieures grâce à l'optimisation de l'estimation des paramètres et du filtrage spectral, ce qui donne lieu à des reconstructions haute fidélité avec un minimum d'artefacts et conservé des informations faibles. De plus, Open-3DSIM peut extraire les informations d'orientation dipolaire inhérentes, libérant ainsi tout le potentiel de 3DSIM en matière de reconstruction multicouche, multicolore, de polarisation et de super-résolution accélérée.

Le principe d'Open-3DSIM est illustré dans la figure supplémentaire 1 et la note complémentaire 1. Le motif d'éclairage structuré tridimensionnel (3D)17 est généré par l'interférence de trois faisceaux par diffraction de réseau. Ensuite, les données de la pile 3D sont récupérées couche par couche, converties dans le domaine fréquentiel et séparées par une matrice de séparation de phase. Les ± premières composantes de fréquence séparées sont décalées pour remplir le cône fuyant de la composante de fréquence nulle, et les ± secondes composantes de fréquence sont décalées pour élargir la plage spectrale du plan xoy. Ainsi, 3DSIM double la plage spectrale par rapport au champ large en remplissant le « cône manquant » dans une fonction de conversion optique (OTF) (Extended Data Fig. 1 et notes complémentaires 1 et 2) et en obtenant des résultats de super-résolution 3D.