Поляризационная микроскопия в медико биологических исследованиях
ОБЗОРЫ
Аннотация
Поляризационная микроскопия представляет собой высокоинформативный метод оптического анализа, предназначенный для визуализации структур биологических тканей и жидкостей, характеризующихся молекулярной упорядоченностью и оптической анизотропией. В отличие от классической световой микроскопии, регистрирующей преимущественно изменения интенсивности и спектрального состава проходящего света, поляризационная микроскопия позволяет выявлять изменения состояния поляризации световой волны при ее взаимодействии с исследуемым объектом. В статье рассмотрены физические основы двойного лучепреломления, устройство и принцип работы поляризационного микроскопа, применение компенсаторов, а также условия корректной интерпретации получаемых изображений. Обобщены основные направления использования метода в клинической и экспериментальной медицине: выявление амилоидных отложений в тканях после окрашивания Конго красным, оценка организации коллагенового матрикса, дифференциальная диагностика кристаллических артропатий по характеристикам кристаллов в синовиальной жидкости, исследование мышечной ткани и кристаллооптических картин высушенной сыворотки крови. Подчеркнуты ограничения метода, связанные с подготовкой проб, толщиной и ориентацией образца, настройкой оптической системы, возможностью появления двулучепреломляющих артефактов и зависимостью результатов от опыта исследователя. Рассмотрены современные направления развития поляризационной микроскопии, включая количественную поляриметрию, LC-Pol Scope, полихроматическую поляризационную микроскопию, интеграцию с Рамановской спектроскопией, мультимодальной визуализацией и алгоритмами машинного обучения. Эти подходы расширяют возможности объективной количественной оценки оптически анизотропных структур и совершенствования диагностических протоколов.
Библиографические ссылки
1. He C., He H., Chang J. et al. Polarisation optics for biomedical and clinical applications: a review. Light Sci Appl. 2021.10(1):194. https://doi.org/10.1038/s41377-021-00639_x.
2. Optical Polarimetric Modalities for Biomedical Research. N. Mazumder, Y.V. Kistenev, E. Borisova, Shama Prasada K., eds. Springer. 2023. 452 p. https://doi.org/10.1007/978-3-031-31852-8.
3. de Boer J.F., Hitzenberger C.K., Yasuno Y. Polarization sensitive optical coherence tomography — a review. Biomedical Optics Express. 2017.8(3):1838–1873. https://doi.org/10.1364/Boe.8.001838.
4. van Turnhout M.C., Kranenbarg S., van Leeuwen J.L. Modeling optical behavior of birefringent biological tissues for evaluation of quantitative polarized light microscopy. Journal of Biomedical Optics. 2009.14(5):054018. https://doi.org/10.1117/1.3241986.
5. Oldenbourg R. Polarized light microscopy: principles and practice. Cold Spring Harbor Protocols. 2013.2013(11):1023–1036. https://doi.org/10.1101/pdb.top078600.
6. Mehta S.B., Shribak M., Oldenbourg R. Polarized light imaging of birefringence and diattenuation at high resolution and high sensitivity. Journal of Optics. 2013.15(9):094007. https://doi.org/10.1088/2040-8978/15/9/094007.
7. Канюков В.Н., Стадников А.А., Трубина О.М., Стрекаловская А.Д. Методы исследования в биологии и медицине. Оренбург: Огу. 2013. 192 с.
8. Нестерович И.И., Ночевная К.В., Минеев В.Н. Поляризационная микроскопия синовиальной жидкости как «золотой стандарт» дифференциальной диагностики кристаллических артритов. Здоровье — основа человеческого потенциала: проблемы и пути их решения. 2012.7(1):438–439. Edn: Shnbtl.
9. Jadhav K.B., Gupta N., Ahmed M.B.R. Maltese cross: Starch artifact in oral cytology, divulged through polarized microscopy. Journal of Cytology. 2010.27(1):40–41. https://doi.org/10.4103/0970-9371.66698.
10. Kardam P., Jain K., Mehendiratta M., Mathias Y. Kaleidoscope of oral artifacts: A vivid picture through light and polarizing microscope. Indian Journal of Pathology and Microbiology. 2016.59(1):31–34. https://doi.org/10.4103/0377-4929.178218.
11. Perino G., Sunitsch S., Huber M. et al. Diagnostic guidelines for the histological particle algorithm in the periprosthetic neo synovial tissue. BMC Clinical Pathology. 2018.18:7. https://doi.org/10.1186/s12907-018-0074-3.
12. Grover S., Naik R., Jayadeva H.M., Ahmed M.B.R. Suture artefacts: Explored through polarising microscope. Sultan Qaboos University Medical Journal. 2012.12(2):247–248. https://doi.org/10.18295/2075-0528.1374.
13. Елисеев М.С., Барскова В.Г. Современные принципы диагностики и лечения подагры. Русский медицинский журнал. 2007.15(26):1984–1986.
14. Zell M., Zhang D., Fitz Gerald J. Diagnostic advances in synovial fluid analysis and radiographic identification for crystalline arthritis. Current Opinion in Rheumatology. 2019.31(2):134–143. https://doi.org/10.1097/Bor.0000000000000582.
15. Howie A.J. Origins of a pervasive, erroneous idea: The “green birefringence” of Congo red stained amyloid. International Journal of Experimental Pathology. 2019.100(4):208–221. https://doi.org/10.1111/iep.12330.
16. Савина Л.В., Павлищук С.А., Самсыгин В.Ю. и др. Поляризационная микроскопия в диагностике обменных нарушений. Клиническая лабораторная диагностика. 2003.(3):11–13. Edn: Oiwgft.
17. Junqueira L.C., Cossermelli W., Brentani R. Differential staining of collagens type 1, 2 and 3 by Sirius Red and polarization microscopy. Archivum Histologicum Japonicum. 1978.41(3): 267–274. https://doi.org/10.1679/aohc1950.41.267.
18. Elbendary A., Valdebran M., Parikh K., Elston D.M. Polarized Microscopy in Lesions With Altered Dermal Collagen. The American Journal of Dermatopathology. 2016.38(8):593–597. https://doi.org/10.1097/Dad.0000000000000550.
19. Keikhosravi A., Liu Yu., Drifka C., Woo K. et al. Quantification of collagen organization in histopathology samples using liquid crystal based polarization microscopy. Biomedical Optics Express. 2017.8(9):4243–4256. https://doi.org/10.1364/Boe.8.004243.
20. Smith L.L., Beggs A.H., Gupta V.A. Analysis of skeletal muscle defects in larval zebrafish by birefringence and touch evoke escape response assays. Journal of Visualized Experiments. 2013.(82):e50925. https://doi.org/10.3791/50925.
21. Jum’ah H., Shribak M., Keikhosravi A. et al. Detection of crystals in joint fluid aspirates with polychromatic polarization microscopy. Annals of the Rheumatic Diseases. 2023.82(11):1501–1502. https://doi.org/10.1136/ard-2023-224331.
22. Wakayama T., Yokouchi S., Kayano H., Higashiguchi T. Shadowless amyloid imaging with quantitative birefringence contrast. Scientific Reports. 2025.15:28776. https://doi.org/10.1038/s41598-025-11795-0.
23. Niessink T., Giesen T., Efde M. et al. Test characteristics of Raman spectroscopy integrated with polarized light microscopy for the diagnosis of acute gouty arthritis. Joint Bone Spine. 2023. 90(6):105611. https://doi.org/10.1016/j.jbspin.2023.105611.
24. Колтовой Н.А. Поляризационная микроскопия в диагностике биологических объектов. Фотоника. 2011.(6):46–49. https://www.photonics.su/journal/article/3075.
25. Kim J., Song S., Kim H. et al. Ptychographic lens less birefringence microscopy using a mask modulated polarization image sensor. Scientific Reports. 2023.13(1):19263. https://doi.org/10.1038/s41598-023-46496-z.
