捕捉整个生物体的3D细胞动力学

发表在《光学》杂志上的一项新的显微镜技术，可以捕获整个斑马鱼幼虫的动态3D图像，同时保持所有三维的细胞分辨率。通过让科学家们对细胞在最自然状态下如何相互作用有了前所未有的了解，这项新技术可以为开发新的疾病治疗方法提供信息。

　　

   

   

图像:研究人员开发了一种新的显微镜技术，可以捕捉大视场的动态3D图像，同时保持所有三个维度的细胞分辨率。图为约翰霍普金斯大学的研究团队。    

图片来源:Mike McElwaine拍摄

研究人员已经证明，一种新的显微镜技术可以捕捉整个斑马鱼幼虫的动态3D图像，同时保持所有三维细胞分辨率。通过让科学家们对细胞在最自然状态下如何相互作用有了前所未有的了解，这项新技术可以为开发新的疾病治疗方法提供信息。

“解开潜在的细胞结构及其相互作用对于理解生命至关重要，”约翰霍普金斯大学的研究小组负责人Ji Yi说。“然而，光衍射的限制使得难以在几毫米的大面积内进行3D元胞分辨率成像。我们规避了视场、深度分辨率和成像速度之间的权衡，在比以前更大的视场上实现了4D细胞分辨率。”

在Optica出版集团的高影响力研究期刊Optica上，研究人员报告说，与其他类似系统相比，他们新的介观斜平面显微镜方法可以在成像3D体积内捕获多达三倍的可分辨图像点。斜平面显微镜是一种光片显微镜，它使用一片激光照射用荧光标记标记的样品薄片。

Yi说:“在更大的背景下观察生物系统——也被称为介观尺度——为复杂的生物系统提供了整体信息，比如小鼠大脑中的完整神经回路、3D组织培养或整个斑马鱼幼虫。”“我们的工作也为进一步的发展奠定了基础，这将允许更快、更大、更深的生物成像。”

克服权衡  

无论是用显微镜还是智能手机相机成像，使用一套光学设备很难同时获得大范围的场景覆盖和足够的分辨率来观察细节。虽然现代智能手机通常使用多个摄像头来克服这一挑战，但这在显微镜下通常是不可行的。

“我们没有增加另一套相机，而是使用一种被称为传输光栅的光学组件来创建衍射光片，”Yi说。“在使用低倍率镜头时，这提高了深度切片和分辨率。其结果是能够在几毫米宽的视野内进行介观尺度成像，同时仍然能够在3D中解析单个细胞。”

研究人员展示了他们的新技术，用它来成像两个重要的大型模型系统:3-4毫米长的活斑马鱼幼虫和细胞保持活性的小鼠大脑切片。两者都表达荧光蛋白，标记特定的细胞类型，如神经元和血细胞。

利用他们的介观斜平面显微镜技术，研究人员能够以2.5× 3 × 6微米的分辨率对高达5.4 × 3.3毫米的视场成像，这允许通过一次扫描对3D细胞结构进行体积成像。对于斑马鱼幼体，他们以2hz的体积率捕获了神经元活动的全身体积记录，独特地实现了对脊椎动物整个中枢神经系统神经回路的研究。他们还以3D细胞分辨率显示了5 Hz血流动力学的全身容量记录，首次实现了完整3D循环系统内的单细胞跟踪。

展望未来，研究人员希望提高光收集效率，以进一步提高成像速度。他们还希望结合多光子成像来实现更好的穿透深度，这是光学成像中另一个长期存在的挑战。

文章标题

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