從一個受精卵發(fā)育成多種功能的胚胎,，細胞要經(jīng)過上千次分裂和復雜的排列重組。據(jù)物理學家組織網(wǎng)6月3日報道,，霍華德·休斯醫(yī)學研究院珍妮莉婭法姆研究學院開發(fā)出一種最新的成像技術，能以前所未有的速度和精確度看到這一過程，讓人們能追蹤胚胎成形時每個細胞在幾天甚至幾小時內的變化,。相關論文發(fā)表在6月3日出版的《自然·方法學》Nature Methods上。
研究人員演示了一段約20小時的果蠅胚胎發(fā)育視頻,。在視頻中,，生物結構逐漸出現(xiàn)，從一小團簡單的細胞簇慢慢變長,，變成上萬個細胞緊緊擠在一起的拉長的小胚胎,，然后在新形成的肌肉收縮舒張下開始顫動，此時胚胎僅有半毫米長,。此外,，論文中還有一段果蠅胚胎中樞神經(jīng)系統(tǒng)完整的發(fā)育視頻，跟蹤了單個細胞發(fā)育出感覺器官,、腦葉及其他結構的過程,，由于分辨率足夠高,，還能看到神經(jīng)軸突尖端迅速變化。
發(fā)明該技術的珍妮莉婭法姆研究學院的菲利普·凱勒說,，要理解一個單細胞怎樣變成了復雜的組織,，真實看到這一過程非常重要。傳統(tǒng)光學顯微鏡速度太慢,，無法跟蹤細胞在生命初期的迅速變化,，也容易破壞一個活胚胎，只能通過把多階段,、多組織的照片拼在一起,，才能推測發(fā)生的變化，但“細胞分裂重組每次都不一樣,，這種觀察方法可能會產(chǎn)生誤導”,。
新技術基于一種高速非侵入式光學顯微鏡，稱為SiMView光層顯微鏡,，能從4個角度同時拍攝圖像,，不僅能跟蹤細胞運動，還能對發(fā)展過程進行數(shù)量分析,。該顯微鏡由凱勒小組和德國的歐洲分子生物實驗室合作開發(fā),，攻克了傳統(tǒng)光學顯微鏡的兩個難題：一是光源對樣本造成的傷害，二是對海量數(shù)據(jù)進行處理分析,。
大部分光源都會傷害細胞,，使其中的熒光標記消失。研究小組設計的照明技術是一種激光掃描層,，一次照射樣本極薄的一層以減少傷害,，由探測儀記錄下被照亮的部分。光層來自兩個相反方向,，并用兩個探測儀來探測熒光,，照明與探測相結合，提供了4個不同的觀察角度,。不僅能避免由于光散射而造成的模糊,，還將圖像采集速度提高了50倍。
要讓照亮樣本和探測熒光在時間,、位置上協(xié)調一致,，時機吻合極為重要，光層交叉通過會造成圖像模糊,，發(fā)光間隔僅幾毫秒,。為了保持精度，SiMView還安裝了實時調節(jié)的電子系統(tǒng),。
顯微鏡每秒會收集350Mb的數(shù)據(jù),，一個樣本一天要產(chǎn)生海量數(shù)據(jù),，而不同條件或不同基因的發(fā)育對比實驗，所要求的數(shù)據(jù)比這還要多好多倍,。為此,，研究人員開發(fā)出一種新的計算方法，能識別并跟蹤顯微鏡視頻中單個細胞并自動分析,。這些都構成了拍攝活樣本這一完整技術框架的必要組成部分,。
凱勒表示，他們還將繼續(xù)改進顯微鏡使計算過程更加有效,。今后不僅能追蹤胚胎中細胞的一代代世系,，還可能控制發(fā)育以探索發(fā)育機制,，并研究其他更大更復雜樣本的發(fā)育過程,。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nmeth.2064
PMC:
PMID:
Multiview light-sheet microscope for rapid in toto imaging
Uros Krzic,1 Stefan Gunther,1, 2 Timothy E Saunders,1, 2 Sebastian J Streichan1 & Lars Hufnagel1
We present a multiview selective-plane illumination microscope (MuVi-SPIM), comprising two detection and illumination objective lenses, that allows rapid in toto fluorescence imaging of biological specimens with subcellular resolution. The fixed geometrical arrangement of the imaging branches enables multiview data fusion in real time. The high speed of MuVi-SPIM allows faithful tracking of nuclei and cell shape changes, which we demonstrate through in toto imaging of the embryonic development of Drosophila melanogaster.
Quantitative high-speed imaging of entire developing embryos with simultaneous multiview light-sheet microscopy
