Full project title: “Lensless digital holographic microscopy with optical sectioning and chemical specificity for imaging thick and highly scattering samples.”

The project aims to develop a new type of microscope that combines the simplicity and high throughput (an enormous field of view equal to the sensor size) of “lensless” holography with the ability to probe deep into tissues and distinguish their chemical composition — without staining and without complex optics. In the PHOT-OS project, the team from Warsaw University of Technology will create an LDHM (lensless digital holographic microscopy) platform that, for the first time, will combine two features previously considered unattainable in this technology: optical sectioning (multilayer imaging of 3D samples) and chemical specificity (molecular contrast) based on molecularly selective photothermal excitation in the mid-infrared (MIR). This will enable the acquisition of three-dimensional “maps” of large tissue areas, simultaneously visualising structure and chemical composition, e.g., the distribution of lipids in a liver tissue section. This would constitute a breakthrough in large-scale in vitro biomedical imaging, disease diagnostics, and histopathological studies. The key to success lies in combining clever acquisition and reconstruction of multiple “encoded” holograms (special illumination patterns) with gentle “heating” of the investigated regions using MIR radiation with high chemical selectivity (spectral matching to the vibrational absorption bands of the chemical compounds). This heating locally reduces the refractive index (photothermal effect), and our system precisely records these changes using visible-light holography. As a result, we achieve volumetric imaging with a very large field of view – comparable to whole-slide scans – without the need for laborious sample preparation (labelling). Additionally, our reconstruction algorithm will be capable of handling the multiple light scattering effect in thick tissue sections, which until now has been a major factor limiting the achievable imaging depth in the lensless modality (restricted to weakly scattering thin samples, e.g., a single layer of cells on a glass slide). If the research plan succeeds, PHOT-OS will push the boundaries of label-free imaging: it will enable stain-free digital histopathology, precise studies of neurodegenerative processes in large brain slices, and rapid, low-cost analyses of organoids and cell cultures in collaboration with national and international expert partners. The unprecedented combination of large imaging volume and chemical specificity, acquired from a sample that is simple to prepare and mount, may translate into improved diagnostics (e.g., fatty liver disease) and more accessible research tools for laboratories worldwide.

Principal Investigator: Prof. Maciej Trusiak

Projekt: “Bezsoczewkowa cyfrowa mikroskopia holograficzna z optycznym sekcjonowaniem i chemiczną specyficznością do obrazowania grubych i silnie rozpraszających próbek” 

W ramach projektu opracowany zostanie nowy rodzaj mikroskopu, który łączy prostotę i wysoką przepustowość (ogromne pole widzenia równe matrycy sensora) „bezsoczewkowej” holografii z możliwością zaglądania w głąb tkanek i rozróżniania ich składu chemicznego – bez barwienia i bez skomplikowanej optyki. W projekcie PHOT-OS zespół z Politechniki Warszawskiej stworzy platformę LDHM (ang. lensless digital holographic microscopy), która po raz pierwszy połączy dwie cechy uznawane dotąd za nieosiągalne w tej technologii: optyczne sekcjonowanie (wielowarstwowe obrazowanie próbek 3D) oraz swoistość chemiczną (kontrast molekularny) opartą na molekularnie selektywnym fototermalny pobudzaniu w średniej podczerwieni (MIR). Dzięki temu będzie można uzyskiwać trójwymiarowe „mapy” dużych obszarów tkanek, jednocześnie widząc strukturę i skład chemiczny, np. rozkład lipidów w skrawku tkanki wątroby. To byłby przełom w wielkoskalowym obrazowaniu biomedycznym in vitro, diagnozowaniu chorób i badaniach histopatologicznych. Klucz do sukcesu polega na połączeniu sprytnej akwizycji i rekonstrukcji wielu „kodowanych” hologramów (specjalne wzory oświetlenia) z delikatnym „podgrzewaniem” badanych miejsc światłem MIR o wysokiej selektywności chemicznej (dopasowaniu pasma do absorpcji wibracyjnej badanych związków chemicznych). To podgrzanie zmniejsza lokalnie współczynnik załamania (efekt fototermalny), a nasz system precyzyjnie rejestruje te zmiany wykorzystując holografię w świetle widzialnym. W efekcie uzyskujemy obrazowanie wolumetryczne o bardzo dużym polu widzenia – porównywalnym ze skanami całych szkiełek z próbkami – bez konieczności żmudnego przygotowania próbek (znakowania). Dodatkowo, nasz algorytm rekonstrukcji będzie umiał poradzić sobie z efektem wielokrotnego rozpraszania światła w grubych skrawkach tkanek, co do tej pory było czynnikiem mocno ograniczającym dostępną głębokość obrazowania w trybie bezsoczewkowym (tylko słabo rozpraszające cienkie próbki np. pojedyncza warstwa komórek na szkiełku). W przypadku powodzenia planu badawczego, PHOT-OS przesunie granice obrazowania bez znaczników: umożliwi cyfrową histopatologię bez barwienia, precyzyjne badania procesów neurodegeneracyjnych w dużych skrawkach mózgu oraz szybkie, niskokosztowe analizy organoidów i hodowli komórkowych we współpracy z krajowymi i międzynarodowymi partnerami-ekspertami. Niespotykanie duża objętość obrazowania i selektywność chemiczna w jednym, zarejestrowane na prostej w przygotowaniu i zamontowaniu próbce, mogą przełożyć się na lepszą diagnostykę (np. chorób stłuszczenia wątroby) i bardziej dostępne narzędzia badawcze w laboratoriach na całym świecie.

Kierownik projektu (PI): dr hab. inż. Maciej Trusiak, prof. uczelni,