UT Southwestern新型显微镜为细胞生物学的未来提供了展望

Reto Fiolka 博士 和 Kevin Dean 博士是细胞生物学和 Lyda Hill 生物信息学系的助理教授

如果显微镜允许我们在虚拟现实中即时探索血管、神经和癌细胞的 3D 缩影会怎样？如果它可以在不实际移动样本的情况下实时提供来自多个方向的视图，并且工作速度比当前技术快 100 倍，那会怎样？

UT Southwestern 的科学家与英格兰和澳大利亚的同事合作，构建并测试了一种新型光学设备，可将常用显微镜转换为多角度投影成像系统。研究人员说，这项发明在今天的Nature Methods的一篇文章中有所描述，可以为先进的显微镜技术开辟新的途径。

“这是一项全新的技术，尽管它的理论基础可以在旧的计算机科学文献中找到，”通讯作者Reto Fiolka 博士说。他和合著者Kevin Dean 博士都是细胞生物学助理教授和 UT 西南大学 Lyda Hill 生物信息学系的助理教授。

 “就好像你用手拿着生物样本，旋转它并检查它，这是与样本交互的一种非常直观的方式。通过从两个不同的角度快速对样本进行成像，我们可以在虚拟现实中以交互方式实时可视化样本，”UTSW显微镜创新实验室主任 Dean 说，该实验室与校园内的研究人员合作开发利用光进步的定制仪器显微镜。

目前，从显微镜获取 3D 图像信息需要一个数据密集型过程，其中将数百个样本的 2D 图像组合成一个所谓的图像堆栈。研究人员解释说，为了可视化数据，然后将图像堆栈加载到图形软件程序中，该程序执行计算以在计算机屏幕上从不同的观察角度形成二维投影。

“这两个步骤需要大量时间，并且可能需要非常强大且昂贵的计算机来与数据进行交互，”Fiolka 说。

该团队意识到它可以通过光学方式从多个角度形成投影，而无需获取图像堆栈并使用计算机进行渲染。这是通过一个简单且具有成本效益的单元来实现的，该单元由两个旋转镜组成，插入显微镜系统的摄像头前面。

“因此，我们可以实时完成所有这些工作，没有任何明显的延迟。令人惊讶的是，我们可以从不同角度“实时”观察我们的样品，而无需旋转样品或显微镜，”Fiolka 说。“我们相信这项发明可能代表了一种通过荧光显微镜获取 3D 信息的新范例。”

它还承诺令人难以置信的快速成像。虽然整个 3D 图像堆栈可能需要数百个相机帧，但新方法只需要一个相机曝光。

最初，研究人员使用两个常见的光片显微镜开发了该系统，这些显微镜需要后处理步骤才能理解数据。该步骤称为去偏斜，本质上意味着重新排列单个图像以消除 3D 图像堆栈的一些失真。科学家们最初试图以光学方式执行这种去偏斜。

在试验光学去歪斜方法时，他们意识到当他们使用不正确的“去歪斜”量时，投影图像似乎会旋转。

“这是哈！片刻。我们意识到这可能不仅仅是一种光学校正方法。该系统也适用于其他类型的显微镜，”Fiolka 说。

“这项研究证实了这个概念更普遍，”迪恩说。“我们现在已将其应用于各种显微镜，包括光片和旋转圆盘共聚焦显微镜。”

使用新的显微镜方法，他们对培养皿中神经细胞之间携带信号的钙离子进行成像，并观察斑马鱼胚胎的脉管系统。他们还对运动中的癌细胞和跳动的斑马鱼心脏进行了快速成像。

UTSW 的合著者包括 Bo-Jui Chang、Etai Sapoznik、Theresa Pohlkamp、Tamara S. Terrones、Erik S. Welf、Vasanth S. Murali 和 Philippe Roudot。

来自英国剑桥 MRC 分子生物学实验室的研究人员；Calico Life Sciences LLC，南旧金山，加利福尼亚；澳大利亚的沃尔特和伊丽莎霍尔医学研究所和墨尔本大学也参加了此次会议。

该研究得到了德克萨斯州癌症预防研究所 (RR160057) 和美国国立卫生研究院 (T32CA080621; F32GM117793; K25CA204526、R33CA235254 和 R35GM133522) 的支持。Fiolka 已为扫描单元及其显微镜应用申请了专利。额外的披露在论文中。研究人员将研究中使用的数据和软件代码都提供在网上。

Fiolka 是Harold C. Simmons 综合癌症中心的成员。在此处访问 Fiolka 实验室。

关于 UT 西南医学中心

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