國外研究團隊開發了一種新的光學成像技術——編碼光片陣列顯微術(CLAM),它可以高速進行3D成像,并且具有足夠的功率效率和柔和度,能夠在掃描過程中以現有技術無法達到的水平保存活體標本。
數十年來,科學家一直在使用熒光顯微鏡來研究生物細胞和生物的內部運作。但是,這些平臺中的許多平臺通常太慢,無法跟隨3D的生物學作用,并可能在強光照射下對生物樣本造成破壞。
為了應對這些挑戰,由香港大學(HKU)電氣與電子工程學系副教授兼生物醫學工程學學士學位課程主任、項目負責人Kevin Tsia博士領導的研究團隊開發了一種新的光學成像技術——編碼光片陣列顯微術(CLAM)。它可以高速進行3D成像,并且具有足夠的功率效率和柔和度,能夠在掃描過程中以現有技術無法達到的水平保存活體標本。
Kevin Tsia博士(右一)和他的團隊開發了一種新的光學成像技術,可以使3D熒光顯微鏡更高效,更不損壞。
這項先進的成像技術最近發表在《光:科學與應用》上,這項創新已經提交了美國專利申請。
新光學成像技術——編碼光片陣列顯微術(CLAM)
現有的3D生物顯微鏡平臺速度較慢,因為必須依次掃描標本的全部體積,并逐點、逐行或逐平面成像。在這些平臺上,單個3D快照需要在標本上重復照明,標本的光照強度通常是日光的數千倍至百萬倍,這很可能會損壞標本本身,因此不利于長期用于各種解剖學、發育生物學和神經科學等領域的生物成像。
此外,這些平臺通常很快耗盡有限的熒光“預算”——這是一個基本限制,即熒光燈只能在有限的時間內通過照明產生,然后在一個稱為“光漂白”的過程中永久消失,這就限制了在一個樣本上可以執行多少圖像采集。
編碼光片陣列顯微鏡(CLAM) 香港大學
Tsia博士說:“ 樣品上的重復照明不僅會加速光致漂白,而且還會產生過多的熒光,最終無法形成最終圖像。因此,熒光'預算'在這些成像平臺上被大大浪費了。而CLAM允許以高幀速率進行3D熒光成像,與最先進的技術(每秒約10倍的體積)相當。更重要的是,它比科學實驗室中廣泛使用的標準3D顯微鏡更節能,比標準3D顯微鏡溫和1000倍以上,這大大減少了掃描過程中對活體標本造成的損害。”
據介紹,CLAM的核心技術是使用一對平行反射鏡將單個激光束轉換成高密度的“光片”陣列,以熒光激發的方式將其擴散到整個樣品區域。
整個3D體積內的圖像可以同時(即并行化)拍攝的,而無需按其他技術的要求逐點、逐行或逐平面掃描樣本。這樣的CLAM中的3D并行化可產生非常柔和而有效的3D熒光成像,而不會犧牲靈敏度和速度,CLAM在降低光漂白效果方面也勝過普通的3D熒光成像方法。
同時,為了在CLAM中保持圖像分辨率和質量,團隊轉向了碼分復用(CDM),這是一種圖像編碼技術,已廣泛應用于電信領域,用于同時發送多個信號。
開發該系統的另一位博士后研究員Queenie Lai博士解釋說:“這種編碼技術使我們能夠使用2D圖像傳感器同時捕獲和數字重建3D中的所有圖像堆棧。CDM以前從未在3D成像中使用過,我們采用了這項技術,并取得了成功。”
作為概念驗證的演示,該團隊應用CLAM以每秒超過10體積的體積速率捕獲微流體芯片中快速微粒流動的3D視頻。
挑戰極限 提高CLAM掃描速度
CLAM對成像速度沒有根本的限制,唯一的限制來自系統中使用的檢測器(即用于拍攝快照的相機)的速度。隨著高速相機技術的不斷發展,CLAM始終可以挑戰其極限,以達到更高的掃描速度。
該團隊進一步采取了行動,將CLAM與HKU LKS醫學院新開發的組織清除技術相結合,以高幀頻對小鼠腎小球和腸血管系統進行3D可視化。
使用CLAM進行3D高速成像。學分:香港大學
蔡醫生說:“我們預計,這種組合技術可以擴展到檔案生物學樣本的大規模3D組織病理學研究,例如在大腦中繪制細胞組織以進行神經科學研究。由于CLAM成像比其他所有方法都要溫和得多,因此它獨特地有利于對生物樣本以其活體形式進行長期和連續的'監視'。這可能會影響我們對細胞生物學許多方面的基本了解,例如不斷跟蹤動物胚胎發育成成年形式;實時監測細胞/生物如何被細菌或病毒感染;觀察癌細胞如何被藥物殺死,以及當今現有技術無法實現的其他挑戰性任務。”
CLAM可以通過最少的硬件或軟件修改就適用于許多當前的顯微鏡系統。利用此優勢,該團隊計劃進一步升級當前的CLAM系統,以進行細胞生物學、動植物發育生物學研究。
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