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Cell:重大进展!开发出新型智能显微镜,在四维水平下观察活鼠中的胚胎发育

来源:本站原创 2018-10-14 09:59

2018年10月14日/生物谷BIOON/---到目前为止,最清晰的活体胚胎图片来自斑马鱼和果蝇。十年前,美国霍华德-休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区物理学家和生物学家Philipp Keller及其同事们开发了斑马鱼的首个“数字胚胎(digital embryo)”,其中斑马鱼是一种通常提供给科学家研究的透明的条纹小鱼。他们用光片照明显微镜(light sheet microscope)扫描斑马鱼的胚胎。Keller设计出的计算机程序能够理解所有的成像数据,结果就是能够高分辨率地观察斑马鱼胚胎发育的头24个小时。

2014年,Keller和及其同事们在Nature Methods期刊上报道了数字果蝇胚胎(Nature Methods, 2014, doi:10.1038/nmeth.3036)。Keller说,对这些动物进行成像是相对简单的,特别是斑马鱼。它们是透明的,对光不敏感,这就使得它们成为“显微镜容易观察的目标”。

小鼠不同于斑马鱼和果蝇。让小鼠胚胎在实验室中保持活力---即使是短时间---需要一系列条件。首先,小鼠胚胎必须保持无菌;需要将它们浸没在一种营养液中;必须精确控制气体和温度水平。更重要的是,胚胎中的细胞对光是非常敏感的,胚胎组织是致密的和不透明的,而且胚胎不能在显微镜下保持静止。相反,它仅仅固定在一个点上,因此它“像一个小气球一样漂移”。

最后,在Keller团队想要观察的时间段内,即受精后的六天半到八天半,小鼠胚胎的生长幅度超过一个数量级---直径几乎达到3毫米,大约相当于一粒芝麻种子的长度。对光片照明显微镜而言,小鼠胚胎是一种移动的目标,不断地改变大小和位置。

在一项新的研究中,为了解决这些问题,Keller团队采取了一种不同的策略:他们设计了一台能够完成所有工作的智能显微镜。相关研究结果于2018年10月11日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“In Toto Imaging and Reconstruction of Post-Implantation Mouse Development at the Single-Cell Level”。
图片来自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.09.031。

在这台智能显微镜的中心,一种清晰的丙烯酸立方体结构容纳着胚胎成像室。两个片光(light sheet)照亮小鼠胚胎,两个摄像头记录图像。这些组件让这些研究人员窥探曾经看不见的早期器官发育世界,以前所未见的高分辨率细节揭示动态事件。

这台显微镜的头部配备了一套跟踪胚胎位置和大小的算法。这些算法绘制片光如何在样品中移动,然后找出如何获得最佳图像的方法---保持小鼠胚胎聚焦在视野中并位于视野中间。

由于小鼠胚胎在不断变化,这台显微镜必须不断适应,以毫秒为间隔,在数百个不同的时间点上对数百多张图像做出决定。Keller说,“我不会说我们的显微镜比人类更聪明,但是它能够完成人类操作员无法做到的事情。”

利用这台智能显微镜,Keller团队如今能够首次窥视活着的小鼠胚胎,观察肠道开始形成,心脏细胞开始尝试第一次跳动。在一个关键的48小时窗口---也就是初级器官开始形成的时间段---里,他们能够追踪每个胚胎细胞并确定它们去向何处,它们开启了哪些基因,以及它们在路上遇到了哪些细胞。

这项新的研究“实际上是整个小鼠的细胞分辨率建筑计划”。他们正在制造这种智能显微镜和计算工具,并且所有成像数据都是免费和公开的。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Katie McDole, Léo Guignard, Fernando Amat et al. In Toto Imaging and Reconstruction of Post-Implantation Mouse Development at the Single-Cell Level. Cell, Published Online: 11 October 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.09.031.

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