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活细胞3D成像工具:现在的和未来的

与早期的成像系统相比,活细胞的3D成像为研究人员呈现了细胞及其组分的更详细、也更准确的空间视图。而之前,成像过程本身对细胞有毒,而导致一些人为的假象出现。技术进步让3D成像成为许多应用的重要工具,如细胞生物学、发育生物学、神经科学以及癌症研究。当前的技术比以往更加准确,能实时给出数据,几乎不需要细胞制备。下面,我们就给大家介绍一下最新的3D成像系统。


多样化的选择


活细胞3D成像系统有许多不同的种类,如共聚焦、光声、激光片层和全息断层等。共聚焦技术的最新发展降低了对细胞的光毒性,并改善了时间分辨率。例如,PerkinElmer的UltraVIEW VoX 3D活细胞成像系统利用转盘式显微镜来保护细胞的健康。“转盘式显微镜让研究人员通过延时实验来观察活细胞,同时让细胞接触的光子剂量最小,”PerkinElmer高内涵成像仪器的产品总监Jacob Tesdorpf谈道。


而新型的Flash4 sCMOS相机为UltraVIEW VoX带来了更佳的灵敏度和更高的帧速率,让“科学家在每秒钟能捕获更多图像,比以往更快地分辨细胞内的过程,”Tesdorpf说。UltraVIEW VoX 3D活细胞成像系统适用于共同定位、荧光漂白恢复(FRAP)和荧光共振能量转移(FRET)等应用。


GE Healthcare的DeltaVision Elite是一款高分辨率的荧光显微镜系统,也适合活细胞3D成像。GE Healthcare生命科学部的科学总监Paul Goodwin表示,成像数据的去卷积让研究人员能够进一步改善图像。“特别是高分辨率的细节,能通过测定系统的光学性能而改善,”Goodwin说。“我们利用去卷积来更好地估计荧光在哪里,以及有多少是真正在那里。我们让客户能始终如一地达到衍射极限。”


DeltaVision OMX的3D-SIM超高分辨率模式最初并不是为活细胞成像而设计的。不过,在一年前,“我们意识到,我们能够将它用在活细胞方面,”Goodwin谈道。“我们让它快了40-50倍。”据Goodwin介绍,他们公司的系统特别适合细胞生物学和微生物学,以及发育生物学和神经科学的部分应用;不过不太适合大脑的深度成像或斑马鱼发育研究。“对于这些应用,其他工具更适合,如共聚焦或双光子显微镜,”他说。


蔡司的Lightsheet Z.1成像系统使用激光片层荧光显微镜,它使用较少的光而获得3D图像。激发和检测光路被分离成相互垂直的轴。由于激发光束一次只照亮一个薄薄的光学片层,故细胞暴露的时间更短,光损伤程度更低。它的软件也利用去卷积来改善图像。


Endra Life Sciences的Nexus 128是一种活细胞的光声3D成像系统。它利用光学成像和超声波来提供图像,而不需要任何造影剂。不同类型的软组织在吸收激光上的表现不同,这形成了固有的对比,而不需要染料或探针。但是,如果特殊的应用需要造影剂,Nexus 128也可以使用近红外染料或为光声成像而优化的荧光探针。


高内涵3D成像


高内涵成像也得益于活细胞3D成像的进步。目前,一些供应商也提供带3D功能的高内涵成像系统,用来收集高内涵的成像数据,以快速筛选大量细胞。例如,PerkinElmer新上市的Opera Phenix™高内涵筛选系统带有专利的Synchrony光学组件,结合了Nipkow转盘和双向观测共聚焦光学系统,这使得它适合筛选应用,并为3D细胞培养提供了高分辨率的图像。


GE Healthcare的IN Cell Analyzer 6000,另一款高内涵3D成像系统,有着虚拟共聚焦的光圈,可根据不同的光照条件来调整,以优化图像质量。尽管只有短短几年时间,但IN Cell Analyzer的可变光阑线扫描技术也在呈现增长态势,Goodwin谈道。


未来的创新


近期学术界的创新已酝酿出一些新型的活细胞3D成像系统。例如,伊利诺伊大学Gabriel Popescu实验室开发出的白光断层,可通过配有SLIM模块的相差显微镜对细胞成像。这种技术能够随着时间的推移而产生3D图像,但细胞不受干扰。


另一种技术被称为SCAPE显微镜,是由哥伦比亚大学医学中心的Elizabeth Hillman实验室开发的。SCAPE比激光片层、激光扫描共聚焦和双光子显微镜更快,可以在不干扰细胞的情况下成像。它最适合成像浅层或透明的生物,因为它不能穿透得很深。


霍华德•休斯医学研究所的Eric Betzig实验室则开发出晶格层光光学显微镜(lattice light sheet microscopy),产生笔状光束以形成类似片状的光。各个光束之间的干涉产生了2D晶格,以每秒1000个平面的速率扫描细胞。这种技术十分快速,但也特别温和;最大限度减少了光毒性和光漂白。


随着商业产品和自行设计系统的不断进步,研究人员开展活细胞3D成像的工具也在大大改进。那些希望从细胞中获得更多信息的科学家将从这些产品中受益,实现新的发现,并获得令人振奋的结果。


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