Polarization microscopy in medical and biological research
Abstract
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.
Polarization microscopy is a highly informative optical analysis method intended for the visualization of structures in biological tissues and fluids characterized by molecular ordering and optical anisotropy. Unlike conventional light microscopy, which primarily records changes in the intensity and spectral composition of transmitted light, polarization microscopy makes it possible to detect changes in the polarization state of the light wave resulting from its interaction with the specimen. The article discusses the physical basis of birefringence, the design and operating principles of the polarization microscope, the use of compensators, and the conditions required for correct interpretation of the resulting images. The main applications of the method in clinical and experimental medicine are summarized, including the detection of amyloid deposits in tissues after Congo red staining, assessment of collagen matrix organization, differential diagnosis of crystal arthropathies based on the characteristics of crystals in synovial fluid, examination of muscle tissue, and crystalloscopic analysis of dried blood serum. The limitations of the method related to sample preparation, specimen thickness and orientation, adjustment of the optical system, the possible presence of birefringent artifacts, and the dependence of the results on observer experience are emphasized. Current trends in the development of polarization microscopy are also considered, including quantitative polarimetry, LC-Pol Scope, polychromatic polarization microscopy, integration with Raman spectroscopy, multimodal imaging, and machine learning algorithms. These approaches expand the possibilities for objective quantitative assessment of optically anisotropic structures and for improving diagnostic protocols.
References
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.
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.
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.
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.
Oldenbourg R. Polarized light microscopy: principles and practice. Cold Spring Harbor Protocols. 2013.2013(11):1023–1036. https://doi.org/10.1101/pdb.top078600.
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.
Канюков В.Н., Стадников А.А., Трубина О.М., Стрекаловская А.Д. Методы исследования в биологии и медицине. Оренбург: Огу. 2013. 192 с.
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.
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.
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.
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.
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.
Елисеев М.С., Барскова В.Г. Современные принципы диагностики и лечения подагры. Русский медицинский журнал. 2007.15(26):1984–1986.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Колтовой Н.А. Поляризационная микроскопия в диагностике биологических объектов. Фотоника. 2011.(6):46–49. https://www.photonics.su/journal/article/3075.
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.
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.
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.
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.
Oldenbourg R. Polarized light microscopy: principles and practice. Cold Spring Harbor Protocols. 2013.2013(11):1023–1036. https://doi.org/10.1101/pdb.top078600.
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.
Канюков В.Н., Стадников А.А., Трубина О.М., Стрекаловская А.Д. Методы исследования в биологии и медицине. Оренбург: Огу. 2013. 192 с.
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.
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.
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.
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.
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.
Елисеев М.С., Барскова В.Г. Современные принципы диагностики и лечения подагры. Русский медицинский журнал. 2007.15(26):1984–1986.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Колтовой Н.А. Поляризационная микроскопия в диагностике биологических объектов. Фотоника. 2011.(6):46–49. https://www.photonics.su/journal/article/3075.
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.
