研究人員已經(jīng)證明，一種新的顯微鏡技術(shù)可以捕捉整個(gè)斑馬魚(yú)幼蟲(chóng)的動(dòng)態(tài)3D圖像，同時(shí)保持所有三維細(xì)胞分辨率。通過(guò)讓科學(xué)家們對(duì)細(xì)胞在最自然狀態(tài)下如何相互作用有了前所未有的了解，這項(xiàng)新技術(shù)可以為開(kāi)發(fā)新的疾病治療方法提供信息。

“解開(kāi)潛在的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及其相互作用對(duì)于理解生命至關(guān)重要，”約翰霍普金斯大學(xué)的研究小組負(fù)責(zé)人Ji Yi說(shuō)。“然而，光衍射的限制使得難以在幾毫米的大面積內(nèi)進(jìn)行3D元胞分辨率成像。我們規(guī)避了視場(chǎng)、深度分辨率和成像速度之間的權(quán)衡，在比以前更大的視場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)了4D細(xì)胞分辨率。”

在Optica出版集團(tuán)的高影響力研究期刊Optica上，研究人員報(bào)告說(shuō)，與其他類(lèi)似系統(tǒng)相比，他們新的介觀斜平面顯微鏡方法可以在成像3D體積內(nèi)捕獲多達(dá)三倍的可分辨圖像點(diǎn)。斜平面顯微鏡是一種光片顯微鏡，它使用一片激光照射用熒光標(biāo)記標(biāo)記的樣品薄片。

Yi說(shuō):“在更大的背景下觀察生物系統(tǒng)——也被稱為介觀尺度——為復(fù)雜的生物系統(tǒng)提供了整體信息，比如小鼠大腦中的完整神經(jīng)回路、3D組織培養(yǎng)或整個(gè)斑馬魚(yú)幼蟲(chóng)。”“我們的工作也為進(jìn)一步的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，這將允許更快、更大、更深的生物成像。”

克服權(quán)衡  

無(wú)論是用顯微鏡還是智能手機(jī)相機(jī)成像，使用一套光學(xué)設(shè)備很難同時(shí)獲得大范圍的場(chǎng)景覆蓋和足夠的分辨率來(lái)觀察細(xì)節(jié)。雖然現(xiàn)代智能手機(jī)通常使用多個(gè)攝像頭來(lái)克服這一挑戰(zhàn)，但這在顯微鏡下通常是不可行的。

“我們沒(méi)有增加另一套相機(jī)，而是使用一種被稱為傳輸光柵的光學(xué)組件來(lái)創(chuàng)建衍射光片，”Yi說(shuō)。“在使用低倍率鏡頭時(shí)，這提高了深度切片和分辨率。其結(jié)果是能夠在幾毫米寬的視野內(nèi)進(jìn)行介觀尺度成像，同時(shí)仍然能夠在3D中解析單個(gè)細(xì)胞。”

研究人員展示了他們的新技術(shù)，用它來(lái)成像兩個(gè)重要的大型模型系統(tǒng):3-4毫米長(zhǎng)的活斑馬魚(yú)幼蟲(chóng)和細(xì)胞保持活性的小鼠大腦切片。兩者都表達(dá)熒光蛋白，標(biāo)記特定的細(xì)胞類(lèi)型，如神經(jīng)元和血細(xì)胞。

利用他們的介觀斜平面顯微鏡技術(shù)，研究人員能夠以2.5× 3 × 6微米的分辨率對(duì)高達(dá)5.4 × 3.3毫米的視場(chǎng)成像，這允許通過(guò)一次掃描對(duì)3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行體積成像。對(duì)于斑馬魚(yú)幼體，他們以2hz的體積率捕獲了神經(jīng)元活動(dòng)的全身體積記錄，獨(dú)特地實(shí)現(xiàn)了對(duì)脊椎動(dòng)物整個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)回路的研究。他們還以3D細(xì)胞分辨率顯示了5 Hz血流動(dòng)力學(xué)的全身容量記錄，首次實(shí)現(xiàn)了完整3D循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的單細(xì)胞跟蹤。

展望未來(lái)，研究人員希望提高光收集效率，以進(jìn)一步提高成像速度。他們還希望結(jié)合多光子成像來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的穿透深度，這是光學(xué)成像中另一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。

文章標(biāo)題

Mesoscopic oblique plane microscopy (Meso-OPM) with a diffractive light sheet- enabling large-scale 4D cellular resolution imaging