Epidemia cauzată de coronavirus (COVID-19) a afectat toate aspectele vieții din întreaga lume. În domeniul științei situația sa schimbat, aceasta oferind soluții de cercetare-inovare privind combaterea și atenuarea impactului pandemiei COVID-19. De exemplu, cercetătorii europeni în fotonică dezvoltă acum un biosenzor nano-interferometric care detectează coronavirusul în cel mai timpuriu punct de infecție de la salivă sau un tampon nazal.

Examinarea microscopică a morfologiei celulare este una dintre principalele metode de cercetare în multe domenii biomedicale. Cele mai însemnate studii cu ajutorul microscopului au fost efectuate pentru cercetarea cancerului, descoperirea medicamentelor noi, analiza comportamentală a celulelor, ecranizarea fenotipilor, analiza dinamică a proceselor patologice etc. Imagistica non-invazivă cu o rezoluție înaltă a proceselor celulare este principala condiție necesară pentru a asigura vizualizarea structurii celulelor vii în mediul lor natural.

Microscopia optică este un instrument non-invaziv folosit pentru studierea in vivo, in situ și in vitro a proberlor biologice. Comparativ cu dispozitivele clasice precum sunt microscopul cu contrast de fază și microscopul interferometric diferențial, ce sunt utilizate pe scară largă în biologie pentru vizualizarea specimenelor transparente, tehnicile interferometrice prezintă avantaje semnificative prin faptul că permit măsurarea cantitativă a fazei dar și imagistica 3D a specimenelor biologice. Defazajul măsurat depinde atît de indicile de refracție cât și de grosimea specimenului, acestea fiind două mărimi legate de natura informației intracelulare, morfometria celulara și structura specimenului. Multe metode de imagistică nu i-au în considerație polarizarea luminii, însă indicile de refracție a structurii țesutului este corelată cu propagarea luminii polarizate prin probele biologice.

Microscopia cu lumină polarizată (MLP) dezvăluie ordinea de orientare a structurilor moleculare native a celulelor vii, țesuturilor și organismelor. MLP manifestă efecte de birefrigență (anisotropia indicelui de refracție) și dicroism (anisotropia coeficientului de absorbție) care sunt importante pentru caracterizarea arhitecturii moleculare a probelor biologice. Chiar dacă MLP nu este sensibil la natura chimică a moleculelor constituente, microscopul redă originea structurală, anisotropică al ansamblului macromolecular, cum ar fi organizarea submicroscopică  a legăturilor și filamentelor moleculare.

Microscopia holografică digitală (MHD) a devenit din ce în ce mai aplicate domeniilor biofotonicii, științelor vieții și medicinei, deoarece oferă mai multe avantaje convingătoare față de alte metode imagistice:

- Imagistica nedistructivă,

- „Marker-free”,

- Imagistica „câmp complet” (nu este necesară scanarea),

- Recuperarea cantitativă a fazei (importantă pentru imagistica celulelor transparente),

- Reorientare numerică (focalizarea imaginii poate fi modificată fără scanare suplimentară),

- Monitorizare simultană online.

MHD poate fi utilizat pentru a extrage informațiile 3D ale unui organism biologic folosind o singură hologramă digitală înregistrată. Informațiile privind faza cantitativă și amplitudinea frontului de undă ale obiectului pot fi obținute digital împreună cu adâncimea obiectului din holograma înregistrată.

Combinarea tehnicilor microscopice MLP și MHM prezintă un progres major în imagistica biologică, majorînd semnificativ functionalitatea și performanța acesteia, și de asemenea permite avansarea de la faza experimentală a funcționării intrumentului strict în laborator la aplicații practice în biomedicină.

De exemplu, virusurile au o natură dublă, particula și celula infectată. Celulele infectate cu virus pot avea caracteristici distincte, cum ar fi pierderea integrității membranei, contracția celulelor, modificări de densitate, detașare de celule din substrat, pierderea sau întărirea citoscheletului și reorganizarea membranelor intracelulare. În ciuda naturii predictive a virusurilor pentru infecții clinice și biologice, lipsesc analizele detaliate 3D ale modificărilor celulelor induse de virus.

În acest context, acest proiect a fost orientat spre avansarea MHD sensibil la polarizarea luminii. În acest scop, a fost dezvoltată procesarea computațională a imaginilor și înregistrarea hologramelor digitale ce dețin proprietăți de polarizare (hardware) dar și procesarea digitală a hologramelor luînd în considerare factorul polarizării (software).

Scopul general al proiectului a fost ingineria MHD sensibil la polarizare ce poate fi aplicat în biomedicină pentru studiul structura, proprietăților de polarizare și fazei probelor biologice.

Pentru a atinge obiectivul proiectului, a fost necesară dezvoltarea următoarelor obiective:

1. Modificarea MHD inclusiv înregistrarea și prelucrarea digitală a imaginilor în timp real pentru efecturarea măsurărilor cantitative ale caracteristicilor structurale, precum sunt anisotropia optică, morfologia și faza probelor biologice transparente.

2. Elaborarea algoritmilor pentru reconstrucția fazei din hologramelor digitale luând în considerare anisotropia. în scopul reconstruirii arhitecturii moleculare a probelor biologice.

Pentru realizarea acestor obiective, a fost necesară dezvoltarea metodologilor originale și adaptate la diferite etape ale implementării proiectului, cum ar fi:

a) design-ul configurării optice a MHD sensibil la polarizarea luminii pentru studiul anisotropiei și fazei obiectelor transparente;

b) simularea și modelarea matematică a MHD sensibil la polarizarea luminii;

c) dezvoltarea algoritmilor de procesare digitală a imaginilor pentru reconstrucția hologramelor digitale luînd în considerare polarizării;

d) integrarea procesării digitale a hologramelor în schema experimentală a microscopului pentru formarea unei tehnici unice potrivită pentru caracterizarea polarizarii probelor biologice.

Rezultatele estimate ale cercetării propuse au fost:

- MHD sensibil la polarizare pentru măsurarea cantitativă a fazei optice și distribuției polarizării în probe biologice transparente;

- Modelarea și analiza matematică bazată pe teoria difracției luminii pentru procesarea hologramelor digitale ce vor oferi informații maxim semnificative, inclusiv imaginea 3D a probelor;

- Evaluarea performanței și limitărilor MHD sensibil la polarizare dezvoltat pentru aplicații în biomedicină.