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高速成像技术揭示了以前看不见的生物细节

革命性3D SCAPE显微镜背后的哥伦比亚团队今天宣布了这种高速成像技术的新版本。在与来自世界各地的科学家合作下,他们使用SCAPE 2.0揭示了以前看不见的生物细节-从蠕动蠕虫内部发射的神经元到鱼胚跳动的心脏的3D动态,其分辨率和速度都非常出色。比原始演示快30倍。

高速成像技术揭示了以前看不见的生物细节

SCAPE的这些改进已在《自然方法》上发表,有望对遗传学,心脏病学和神经科学等广泛领域产生影响。

为什么更快的3D成像如此有价值?

从动物的细胞相互交流的方式到生物如何运动和改变形状的过程,驱动生物的过程是动态且不断变化的。成像速度越快,我们看到的过程越多,而3D快速成像使我们可以看到整个生物系统,而不仅仅是一个平面,这比传统显微镜具有明显优势。”

当Hillman博士的团队四年前首次引入SCAPE(后置共聚焦对准平面激发)显微镜时,他们的方法挑战了有关如何高速创建活体组织图像的假设。

该论文的第一作者,作者Venkatakaushik Voleti博士说:“大多数对活体样品进行成像的显微镜都在样品周围扫描一小束激光,但是点扫描的方法很慢,只能在很短的时间内看到每个光斑。” SCAPE 2.0,是Hillman博士实验室的博士候选人。“我们的系统使用倾斜或成角度的光来照亮样品内的整个平面,然后将光片扫过样品以形成3D图像。”

尽管使用光片对样品进行成像可以追溯到100年前,但是SCAPE的独创性在于它可以快速移动光片,并使用单个移动镜将其反射回固定的相机,从而使闪电快速且出奇的简单。此外,SCAPE对活体样品柔和,因为它仅使用点扫描显微镜以可比的速度获取图像所需的一小部分光。SCAPE通过一个固定的物镜实现了所有这些目的,与传统的光片显微镜相比,传统的光片显微镜需要由许多透镜围绕的复杂样品室,从而为各种样品打开了空间。

希尔曼博士说:“人们常常对SCAPE的紧凑,简单和易于使用感到惊讶,”希尔曼博士经常在自己的汽车后备箱中驾驶SCAPE系统,为研究人员提供动手演示。

Hillman博士的团队正在努力帮助全世界的科学家将SCAPE用于他们自己的研究,在美国国家卫生研究院(National Institutes of Health BRAIN)的资助下,邀请科学家加入她在哥伦比亚大学祖克曼研究所的实验室,或者帮助他们建立自己的系统。倡议。Hillman博士还与徕卡显微系统公司合作,该公司已获得SCAPE许可,目前正在开发该系统的商业版本。

Hillman博士将SCAPE 2.0的广泛兴趣归功于荧光标记技术的最新重大进展,荧光标记技术使科学家能够使动物体内的特定细胞发出不同的颜色,甚至可以使细胞相互之间发出信号时闪烁。她还指出,小的,近乎透明的动物(例如秀丽隐杆线虫,斑马鱼胚胎和果蝇)的影响正在增加,可以在自然行为中观察到它们,也可以对其进行修改以重现人类疾病。SCAPE 2.0的位置非常合适,可以捕捉这些生命系统中发生的细胞事件,运动和反应的交响曲。

希尔曼博士说:“在我们的新论文中,我们展示了SCAPE 2.0如何跟踪整个动物爬行时单个神经元的放电,从而为我们提供了一个新的窗口,了解神经活动如何指导行为。”在哥伦比亚工程公司。

尽管受到神经科学需求的启发,Hillman博士指出,许多上述标记方法和动物模型现在正在改变其他研究领域,让科学家们探索癌性肿瘤细胞如何相互发出信号,免疫细胞如何找到其靶标或心脏如何和心血管系统受药物和疾病的影响。

希尔曼博士说:“看到由BRAIN计划激发的技术对科学和医学产生了越来越广泛的影响,真是令人兴奋。”

意识到这一机会,希尔曼博士与儿科心脏病专家基马拉·塔格夫(Kimara Targoff)携手合作,将SCAPE 2.0用于研究心脏如何发育。Targoff博士的实验室使用斑马鱼作为动物模型来破译可能导致胚胎心脏畸形的基因突变。了解这些突变如何导致疾病可以为患有先天性心脏病的儿童提供治疗方法。

Targoff博士说:“对跳动的心脏进行成像的问题在于,它的跳动速度很快,会随着血液在各种方向上的流动而改变其形状。” 他是哥伦比亚瓦格洛斯内科医生与外科医生学院的儿科助理教授,也是该论文的合著者。“使用SCAPE 2.0,我们可以3D实时成像斑马鱼胚胎跳动的心脏,使我们能够看到在心脏细胞之间发送的钙信号如何导致心脏壁收缩,或者红细胞如何流过心脏的瓣膜搏动利用这些知识,我们可以追踪最特定地重现心脏自然状态的环境中特定的基因突变如何影响正常的心脏发育。”

追随单个红细胞通过跳动的心脏的愿望是推动SCAPE 2.0速度极限的动力。

为了达到前所未有的速度,Hillman博士的团队与Lambert Instruments密切合作,利用该公司的超快速HiCAM Fluo相机。该相机用于在斑马鱼胚胎跳动的心脏中以每秒18,000帧的速度捕获图像。这种新的配置打开了记录在自由移动的秀丽隐杆线虫蠕虫中发射单个神经元的门,从而使动物的整个神经系统处于活动状态。SCAPE 2.0的其他升级包括提高的光效率,更大的视野和大大提高的空间分辨率。

SCAPE 2.0的改进分辨率还使团队能够对使用组织清除和组织扩张创建的样本进行成像。这些方法使科学家可以看到完整样本内部的结构和连接,从整个老鼠的大脑到肿瘤和人类活组织检查。尽管这些样本尚不活跃,但它们很大,并且使用标准显微镜进行成像需要很长时间。今天的论文证明了SCAPE 2.0可以打破记录的速度对这些类型的样本进行成像。

Hillman博士和她的团队与来自扎克曼研究所的神经科学家到哥伦比亚火山学家Einat Lev博士等不断壮大的合作者一起,正在继续开发和改进SCAPE的用途,他们正在使用SCAPE来对天然气进行成像火山喷发时形成气泡。

希尔曼博士的团队还正在开发一种用于医疗用途的小型SCAPE,以快速区分患者体内的健康细胞和患病细胞,从而为医生提供了一种指导如何在手术室进行复杂手术的新方法。

希尔曼博士说:“工具和技术的局限性常常限制了科学家认为他们可以研究的东西。”希尔曼博士也是哥伦比亚瓦格洛斯医师与外科医生学院放射学教授。“ SCAPE 2.0开辟了我们可以看到的事物的新视野。我希望我们的新结果将激励科学家思考可以提出哪些新问题以及下一步可以探索哪些新的科学发现途径。

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