نوع جدید میکروسکوپ فلوئورسانس حجمی

Yuxuan Ren ، Queenie Lai و Kevin Tsia (از سمت چپ) یک فناوری تصویربرداری نوری جدید ایجاد کردند تا میکروسکوپ سه بعدی فلورسانس کارآمدتر و آسیب نبینند.

دانشمندان دهه هاست که از میکروسکوپ فلورسانس برای بررسی عملکرد داخلی سلولهای بیولوژیکی و ارگانیسم ها استفاده می کنند. با این حال ، بسیاری از این سیستم عامل ها معمولاً خیلی کند هستند تا عملکرد بیولوژیکی را به صورت سه بعدی دنبال کنند. و بیش از حد به نمونه های بیولوژیکی زنده با نور شدید آسیب می رساند. برای برطرف کردن این چالش ها ، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی کوین تیا ، دانشیار گروه مهندسی برق و الکترونیک دانشگاه هنگ کنگ (HKU) ، یک فناوری تصویربرداری نوری جدید ایجاد کرده اند - میکروسکوپ آرایه ای با ورق کدگذاری شده نور (CLAM) - که می تواند تصویربرداری سه بعدی را با سرعت بالا انجام دهد ، و از نظر قدرت و کارآمد برای حفظ نمونه های زنده در حین اسکن در سطحی است که توسط فن آوری های موجود حاصل نمی شود.

"CLAM اجازه می دهد تا تصویربرداری فلورسانس سه بعدی با نرخ فریم بالا قابل مقایسه با فناوری پیشرفته (حجم 10 پوند در ثانیه). مهمتر از همه ، این بسیار کارآمد تر است ، بیش از 1000 برابر ملایم تر از میکروسکوپ های سه بعدی استاندارد که به طور گسترده در آزمایشگاه های علمی مورد استفاده قرار می گیرند و این آسیب های ناشی از نمونه های زنده را هنگام اسکن ، بسیار کاهش می دهد. " سیستم عامل های میکروسکوپی بیولوژیکی 3D موجود آهسته هستند زیرا کل حجم نمونه باید به صورت متوالی اسکن و تصویربرداری از نقطه به نقطه ، خط به خط یا هواپیما به صورت هواپیما انجام شود. در این سیستم عامل ها ، یک عکس سه بعدی تک بعدی نیاز به روشنایی مکرر روی نمونه دارد. نمونه ها معمولاً هزاران میلیون بار شدیدتر از نور خورشید روشن می شوند. این احتمال وجود دارد که به خود نمونه آسیب برساند ، بنابراین برای تصویربرداری بیولوژیکی طولانی مدت برای کاربردهای متنوعی مانند علوم تشریحی ، زیست شناسی رشدی و علوم اعصاب مطلوب نیست.

علاوه بر این ، این سیستم عامل ها اغلب به سرعت بودجه محدود فلورسانس را به سرعت تخلیه می کنند - محدودیت اساسی که می توان نور فلورسنت را فقط برای مدت محدود در هنگام روشنایی ایجاد کرد تا قبل از اینکه بطور دائم در یک سفید کننده رنگ محو شود ، این محدودیت را برای تعداد تصاحب تصویر ایجاد می کند. بر روی یک نمونه انجام شد. نورپردازی مکرر روی نمونه نه تنها باعث سفید شدن عکس می شود بلکه باعث ایجاد نور زیاد فلورسانس می شود که در نهایت تصویر نهایی شکل نمی گیرد. از این رو ، بودجه فلورسانس تا حد زیادی در این سیستم عامل های تصویربرداری هدر می رود. "

قلب CLAM با استفاده از یک جفت آینه های موازی ، یک پرتو لیزر منفرد را به یک آرایه با چگالی بالا از لامپ تبدیل می کند تا بر روی یک قسمت بزرگ از نمونه به عنوان تحریک فلورسانس پخش شود. وی افزود: "تصویر در کل حجم 3D به طور همزمان ضبط می شود ، بدون نیاز به اسکن نمونه توسط نقطه به نقطه یا خط به خط یا هواپیما به صورت هواپیما مطابق آنچه در سایر تکنیک ها لازم است. چنین موازی سازی سه بعدی در CLAM منجر به یک تصویربرداری سه بعدی از فلورسانس بسیار ملایم و کارآمد بدون آسیب رساندن به حساسیت و سرعت ، می شود. "همانطور که یوکسان رن ، محقق فوق دکتری کار گفته است. CLAM همچنین از روشهای رایج تصویربرداری فلورسانس سه بعدی در کاهش اثر سفید کننده عکس بهتر است.

برای حفظ وضوح تصویر و کیفیت در CLAM ، این تیم به Code Division Multiplexing (CDM) ، یک تکنیک رمزگذاری تصویر روی آوردند که برای ارسال همزمان چندین سیگنال به طور گسترده در ارتباطات استفاده می شود. این روش رمزگذاری به ما اجازه می دهد تا از سنسور تصویر 2D برای ضبط و بازسازی دیجیتالی همه پشته های تصویر به صورت سه بعدی به طور همزمان استفاده کنیم. قبلاً از CDM در تصویربرداری سه بعدی استفاده نشده است. ما این فناوری را اتخاذ کردیم که به یک موفقیت تبدیل شد. "توضیح داد که کوئین لای ، یکی دیگر از محققان فوق دکترا که سیستم را توسعه داد.

به عنوان اثبات مفهوم ، این تیم از CLAM برای ضبط فیلم های سه بعدی از جریان سریع ریز در یک تراشه میکروسیالی با سرعت بیش از 10 جلد در ثانیه قابل مقایسه با فناوری پیشرفته استفاده کرد. CLAM هیچ محدودیتی اساسی در سرعت تصویربرداری ندارد. تنها محدودیت این است که از سرعت آشکارساز بکار رفته در سیستم ، یعنی دوربین برای گرفتن عکس های فوری است. با پیشرفت فن آوری دوربین پر سرعت به طور مداوم ، CLAM همیشه می تواند حد و مرز خود را برای دستیابی به سرعت حتی بالاتر در اسکن به چالش بکشد. "برجسته جیانگلا وو ، محقق فوق دکترا که این کار را آغاز کرد.

این تیم یک قدم بیشتر برای ترکیب CLAM با HKU LKS فن آوری تازه پاکسازی بافت دانشکده پزشکی برای انجام تجسم سه بعدی گلومرول های موش و عروق خونی روده در فریم بالا برداشت. "ما پیش بینی می کنیم که این تکنیک ترکیبی را می توان به تحقیقات در مقیاس بزرگ 3D از نمونه های بیولوژیکی آرشیوی ، مانند نقشه برداری از سازمان سلولی در مغز برای تحقیقات علوم اعصاب ، در مقیاس بزرگ گسترش داد." تیا گفت.

"از آنجا که تصویربرداری CLAM نسبت به سایر روشها ملایم تر است ، به طور منحصر به فرد از" بیولوژیک طولانی مدت و مداوم "نمونه های بیولوژیکی به شکل زنده آنها حمایت می کند. این می تواند به طور بالقوه بر درک اساسی ما در بسیاری از جنبه های زیست شناسی سلولی تأثیر بگذارد ، به عنوان مثال. پیگیری مداوم نحوه رشد جنین حیوانات به شکل بالغ خود.