Surface-enhanced Raman scattering (SERS) intensities for individual Au nanospheres, nanoshells, and nanosphere and nanoshell dimers coated with nonresonant molecules are measured, where the precise nanoscale geometry of each monomer and dimer is identified through in situ atomic force microscopy. The observed intensities correlate with the integrated quartic local electromagnetic field calculated for each specific nanostructure geometry. In this study, we find that suitably fabricated nanoshells can provide SERS enhancements comparable to nanosphere dimers.

Current methods for identifying neoplastic cells and discerning them from their normal counterparts are often nonspecific, slow, biologically perturbing, or a combination thereof. Here, we show that single-cell micro-Raman spectroscopy averts these shortcomings and can be used to discriminate between unfixed normal human lymphocytes and transformed Jurkat and Raji lymphocyte cell lines based on their biomolecular Raman signatures. We demonstrate that single-cell Raman spectra provide a highly reproducible biomolecular fingerprint of each cell type. Characteristic peaks, mostly due to different DNA and protein concentrations, allow for discerning normal lymphocytes from transformed lymphocytes with high confidence (p ≪ 0.05). Spectra are also compared and analyzed by principal component analysis to demonstrate that normal and transformed cells form distinct clusters that can be defined using just two principal components. The method is shown to have a sensitivity of 98.3% for cancer detection, with 97.2% of the cells being correctly classified as belonging to the normal or transformed type. These results demonstrate the potential application of confocal micro-Raman spectroscopy as a clinical tool for single cancer cell detection based on intrinsic biomolecular signatures, therefore eliminating the need for exogenous fluorescent labeling.

The spread of HIV between immune cells is greatly enhanced by cell-cell adhesions called virological synapses, although the underlying mechanisms have been unclear. With use of an infectious, fluorescent clone of HIV, we tracked the movement of Gag in live CD4 T cells and captured the direct translocation of HIV across the virological synapse. Quantitative, high-speed three-dimensional (3D) video microscopy revealed the rapid formation of micrometer-sized “buttons” containing oligomerized viral Gag protein. Electron microscopy showed that these buttons were packed with budding viral crescents. Viral transfer events were observed to form virus-laden internal compartments within target cells. Continuous time-lapse monitoring showed preferential infection through synapses. Thus, HIV dissemination may be enhanced by virological synapse-mediated cell adhesion coupled to viral endocytosis.

Using in situ Raman scattering in a confocal microscopy setup, we have observed changes in the network structure of fused silica after modifying regions inside the glass with tightly focused 800-nm 130-fs laser pulses at fluences of 5-200 J cm(-2). The Raman spectra show a large increase in the peaks at 490 and 605cm(-1), owing to 4- and 3-membered ring structures in the silica network, indicating that densification occurs after exposure to the femtosecond laser pulses. The results are consistent with the formation of a localized plasma by the laser pulse and a subsequent microexplosion inside the glass.

Abstract Super-resolved structured illumination microscopy (SR-SIM) is an important tool for fluorescence microscopy. SR-SIM microscopes perform multiple image acquisitions with varying illumination patterns, and reconstruct them to a super-resolved image. In its most frequent, linear implementation, SR-SIM doubles the spatial resolution. The reconstruction is performed numerically on the acquired wide-field image data, and thus relies on a software implementation of specific SR-SIM image reconstruction algorithms. We present fairSIM, an easy-to-use plugin that provides SR-SIM reconstructions for a wide range of SR-SIM platforms directly within ImageJ. For research groups developing their own implementations of super-resolution structured illumination microscopy, fairSIM takes away the hurdle of generating yet another implementation of the reconstruction algorithm. For users of commercial microscopes, it offers an additional, in-depth analysis option for their data independent of specific operating systems. As a modular, open-source solution, fairSIM can easily be adapted, automated and extended as the field of SR-SIM progresses.

Summary Digital micromirror devices (DMDs) are spatial light modulators that employ the electro-mechanical movement of miniaturized mirrors to steer and thus modulate the light reflected of a mirror array. Their wide availability, low cost and high speed make them a popular choice both in consumer electronics such as video projectors, and scientific applications such as microscopy. High-end fluorescence microscopy systems typically employ laser light sources, which by their nature provide coherent excitation light. In super-resolution microscopy applications that use light modulation, most notably structured illumination microscopy (SIM), the coherent nature of the excitation light becomes a requirement to achieve optimal interference pattern contrast. The universal combination of DMDs and coherent light sources, especially when working with multiple different wavelengths, is unfortunately not straight forward. The substructure of the tilted micromirror array gives rise to a blazed grating , which has to be understood and which must be taken into account when designing a DMD-based illumination system. Here, we present a set of simulation frameworks that explore the use of DMDs in conjunction with coherent light sources, motivated by their application in SIM, but which are generalizable to other light patterning applications. This framework provides all the tools to explore and compute DMD-based diffraction effects and to simulate possible system alignment configurations computationally, which simplifies the system design process and provides guidance for setting up DMD-based microscopes.

ABSTRACT HIV-1 infection is enhanced by cell-cell adhesions between infected and uninfected T cells called virological synapses (VS). VS are initiated by the interactions of cell-surface HIV-1 envelope glycoprotein (Env) and CD4 on target cells and act as sites of viral assembly and viral transfer between cells. To study the process that recruits and retains HIV-1 Env at the VS, a replication-competent HIV-1 clone carrying an Env-sfGFP fusion protein was designed to enable live tracking of Env within infected cells. Using surface pulse-labeling of Env and fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) studies, we observed targeted accumulation and sustained recycling of Env between the endocytic recycling compartment (ERC) and the VS. We observed dynamic exchange of Env at the VS while the viral structural protein, Gag, was largely immobile at the VS. The disparate exchange rates of Gag and Env at the synapse indicate that retention of Env is not likely to be maintained by entrapment into an immobile Gag lattice or through immobilizing interactions with CD4 on the target cell. A FRAP study of an Env endocytosis mutant showed that recycling is required for the rapid exchange of Env at the VS. We conclude that the mechanism of Env accumulation at the VS and incorporation into nascent particles involves continuous internalization and targeted secretion rather than irreversible interactions with the budding virus.

Photoinduced off-switching of organic fluorophores is routinely used in super-resolution microscopy to separate and localize single fluorescent molecules, but the method typically relies on the use of complex imaging buffers. The most common buffers use primary thiols to reversibly reduce excited fluorophores to a non-fluorescent dark state, but these thiols have a limited shelf life and additionally require high illumination intensities in order to efficiently switch the emission of fluorophores. Recently a high-index, thiol-containing imaging buffer emerged which used sodium sulfite as an oxygen scavenger, but the switching properties of sulfite was not reported on. Here, we show that sodium sulfite in common buffer solutions reacts with fluorescent dyes, such as Alexa Fluor 647 and Alexa Fluor 488 under low to medium intensity illumination to form a semi-stable dark state. The duration of this dark state can be tuned by adding glycerol to the buffer. This simplifies the realization of different super-resolution microscopy modalities such as direct Stochastic Reconstruction Microscopy (dSTORM) and Super-resolution Optical Fluctuation Microscopy (SOFI). We characterize sulfite as a switching agent and compare it to the two most common switching agents by imaging cytoskeleton structures such as microtubules and the actin cytoskeleton in human osteosarcoma cells.

Abstract Super-resolution structured illumination microscopy (SR-SIM) provides an up to two-fold enhanced spatial resolution of fluorescently labeled samples. The reconstruction of high quality SR-SIM images critically depends on patterned illumination with high modulation contrast. Noisy raw image data, e.g. as a result of low excitation power or low exposure times, result in reconstruction artifacts. Here, we demonstrate deep-learning based SR-SIM image denoising that results in high quality reconstructed images. A residual encoding-decoding convolution neural network (RED-Net) was used to successfully denoise computationally reconstructed noisy SR-SIM images. We also demonstrate the entirely deep-learning based denoising and reconstruction of raw SIM images into high-resolution SR-SIM images. Both image reconstruction methods prove to be very robust against image reconstruction artifacts and generalize very well over various noise levels. The combination of computational reconstruction and subsequent denoising via RED-Net shows very robust performance during inference after training even if the microscope settings change.

Cardiovascular diseases are the major cause of death worldwide, emphasizing the necessity to better understand adult human cardiac cell biology and development. Although the adult heart was considered as a terminally differentiated organ, rare populations of cardiac stem cells (CSCs) have been described so far, with their developmental origin and endogenous function still being a matter of debate. Here, we identified a Nestin+/S100+/CD105+/Sca1+/cKit- population of CSCs in the myocardium of the adult human heart auricle. Isolated cells showed expression of characteristic neural crest-derived stem cell (NCSC) markers and kept their genetic stability during cultivation in vitro. Cultivated hCSCs efficiently gave rise to functional, beating cardiomyocytes, osteoblasts, adipocytes and neurons. Global transcriptome analysis via RNAseq showed a high similarity between the expression profiles of Nestin+/S100+/CD105+/Sca1+/cKit- hCSCs and adult human NCSCs from the nasal cavity (inferior turbinate stem cells, ITSCs). In detail, 88.1 % of all genes were significantly expressed in both stem cell populations particularly including common NCSC-markers. Based on these observations, we suggest a similar developmental origin of both stem cell populations. In summary, we identified a human adult cardiac stem cell population with neural crest-origin, which may also contribute to endogenous cardiac tissue homeostasis and tissue repair in vivo.