港大研发新型三维高效萤光显微镜,对细胞光损害可减少1000倍

   如初不遇        

现有的显微镜技术存在不少局限,例如成像速度不够快,未能有效地捕捉样本在三维空间的生物动态;而且成像过程需要利用强光不断照射生物活体,对样本可能造成不可挽回的损害。3月9日,香港大学宣布,该校电机电子工程系副教授及生物医学工程课程总监谢坚文博士领导的研究团队,成功研发一款新的三维萤光成像技术- 编码光片阵列显微镜(Coded Light-sheet Array Microscopy CLAM),扫描速度媲美目前最前沿的三维扫描成像技术;此外,其对生物细胞所造成的光损害,比现时实验室广泛采用的标准三维技术,减低最少1,000倍。


港大研发新型三维高效萤光显微镜,对细胞光损害可减少1000倍


相关研究成果,以“Parallelized volumetric fluorescence microscopy with a reconfigurable coded incoherent light-sheet array”为题发表在《光:科学与应用》期刊上。此外,团队正在申请一项美国应用专利。


港大研发新型三维高效萤光显微镜,对细胞光损害可减少1000倍


研究背景


过去数十年,科学家利用萤光显微镜,研究生物和生物细胞的内部运作。CLAM的核心技术,是利用一组平行镜内多重反射的原理,将扫描的单一激光光束,散换成高密度的薄片状阵列(high density array of “light-sheets”),大范围散落在成像的细胞样本上,用作萤光激活。这不但能大幅改善目前生物应用的三维萤光成像显微镜的效率,更有助开拓前沿的科学研究领域,应用在人体解剖科学、发育生物学和神经科学等涉及精准细胞活动分析和追踪等研究,例如追踪动物胚胎如何演化到成年个体、实时监测细胞或器官如何受细菌或者病毒感染,或药物如何破坏癌细胞等。


港大研发新型三维高效萤光显微镜,对细胞光损害可减少1000倍

CLAM结构示意图


目前的三维生物显微镜的成像技术,是利用强光,逐点、逐行或逐个平面一步步地扫描整个样本,成像速度很慢,强光也会对生物样本造成破坏,并不适合应用作长时间的生物成像分析。扫描过程中样本发出的萤光讯号很快被消耗尽,因为当样本被强光照射一定时间后,会出现光漂白现象,即当中用作显影的萤光分子会永久失活不能再发光,样本在显微镜下于是变得暗淡,无法继续被侦测,这也是现有技术一个根本的局限。


谢坚文博士解释说:”用现时的方法拍摄一张三维影像,需要不断重复照射样本,当中产生不少多余而最终不会成为影像一部分的萤光讯号,这不单无谓地浪费了本身已经非常有限的萤光讯号资源,加快光漂白现象,更重要的是,这些样本经比太阳光强劲数千甚至数百万倍的光源照射后,样本本身也可能受到破坏。“


”如何能在三维成像显微镜下,长时间拍摄一些活组织(不论是细胞或微生物),而要这些组织存活不死,一直都是生物医学上的一大难题。实际上,要成功拍摄几分钟也非常艰难。“谢博士说。


团队成员博士后研究员任煜轩博士指出:”CLAM的3D平行化照射技术,在不影响成像的敏感度和速度的情况下,能达至非常柔和且高效的3D萤光成像,在减低光漂白的影响上比一般三维萤光成像方法优胜。“


创新


为保持影像的解析度和质素,研究团队采用了普遍用于电子通讯中同步传播多频道信号的「编码划分多工(Code Division Multiplexing CDM)」技术对影像编码。


”我们利用二维图像感测器来采集经过CDM技术编码的萤光数据,透过电脑演算,把同一时间采集得的所有影像数据重组成3D影像。今次是首次把CDM编码技术应用于三维扫描成像,并且取得成功,我感到非常鼓舞。“团队成员黎芷君博士说。


研究团队已成功利用CLAM以极快速每秒超过10张立体影像的速率,捕捉在微流体晶片中快速流动的微粒子的动态,成像速度与目前最前沿的三维扫描成像技术相约。


港大研发新型三维高效萤光显微镜,对细胞光损害可减少1000倍

CLAM的系统性能


”CLAM的成像技术,速度上基本上并没有上限,目前的主要限制在侦测仪器-相机拍照的速度,是否够快配合成像,而由于高速相机的技术日新月异,CLAM的成像速度基本上可不断加快。“团队另一位成员博士后研究员吴江来博士补充说。


在前沿研究领域上,研究团队把CLAM与港大李嘉诚医学院早前研发的”组织透明技术“结合,对老鼠肾小球及肠道血管进行高速3D结构成像。研究团队期望这项技术可以延伸到各种对生物样本的大范围三维组织病理研究中,如神经科学研究脑组织中的细胞分布架构。


港大研发新型三维高效萤光显微镜,对细胞光损害可减少1000倍

小鼠组织的高速3D结构成像效果


”相比任何一个解决方案,CLAM独特之处,是它产生的柔和光束,尤其适合一些持续长时间的生物监测研究,例如追踪胚胎的成长,数天甚至数星期;监察细胞对一些治疗药物例如癌细胞对标靶药的反应;以及细胞和器官受病毒或细菌感染的过程等。“谢博士说。


CLAM的另一个优点是,它能够结合多种现有的显微镜系统,不需要改动太多硬件或者软件,便可以转化应用。团队目前正计划升级现有的CLAM系统,首先应用在细胞生物学、动物和植物生长生物学中的动态过程研究。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41377-020-0245-8


内容来源:香港大学

最新评论(0)条评论
不吐不快,我来说两句

还没有人评论哦,抢沙发吧~

相关新闻推荐