Højhastighedsmikroskop belyser biologien med livets hastighed

Columbia-teamet bag det revolutionerende 3-D SCAPE-mikroskop annoncerer i dag en ny version af denne højhastighedsbilledteknologi. I samarbejde med forskere fra hele verden, de brugte SCAPE 2.0 til at afsløre tidligere usynlige detaljer om levende væsener-fra neuroner, der affyrede inde i en vridende orm, til 3D-dynamikken i et fiskeembryos bankende hjerte, med langt overlegen opløsning og med hastigheder op til 30 gange hurtigere end deres originale demonstration.

Disse forbedringer af SCAPE, udgivet i dag i Naturens metoder , lover at påvirke felter lige så vidt som genetik, kardiologi og neurovidenskab.

Hvorfor er det hurtigere, 3D-billeddannelse så værdifuld? "De processer, der driver levende ting, er dynamiske og konstant skiftende, fra den måde et dyrs celler kommunikerer med hinanden, hvordan et væsen bevæger sig og ændrer form, " sagde Elizabeth Hillman, Ph.D., en hovedefterforsker ved Columbias Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute og avisens seniorforfatter. "Jo hurtigere vi kan afbilde, jo flere af disse processer vi kan se – og hurtig billeddannelse i 3D lader os se hele det biologiske system, snarere end blot et enkelt fly, tilbyder en klar fordel i forhold til traditionelle mikroskoper."

Da Dr. Hillmans team for første gang introducerede SCAPE (swept confocally aligned planar excitation) mikroskopi for fire år siden, deres tilgang udfordrede antagelser om, hvordan man skaber et billede af levende væv ved høje hastigheder.

"De fleste mikroskoper, der afbilder levende prøver, scanner en lille plet laserlys omkring prøven, men point-scanning tilgangen er langsom, giver kun kort tid til at se hvert sted, " sagde Venkatakaushik Voleti, Ph.D., avisens første forfatter, der udviklede SCAPE 2.0 som doktorgradskandidat i Dr. Hillmans laboratorium. "Vores system bruger en skrå, eller vinklet, lysark til at belyse et helt plan i prøven, og fejer derefter dette lysark hen over prøven for at danne et 3D-billede."

Selvom billeddannelsesprøver ved hjælp af lysark dateres mere end 100 år tilbage, SCAPEs opfindsomhed ligger i den måde, at det hurtigt flytter lysarket og fokuserer billedet af dette ark tilbage til et stationært kamera ved hjælp af et enkelt spejl i bevægelse - hvilket gør det lynhurtigt og overraskende enkelt. Ud over, SCAPE er skånsomt over for levende prøver, fordi det kun bruger en brøkdel af det lys, som punktscanningsmikroskoper skal bruge for at få billeder ved sammenlignelige hastigheder. SCAPE opnår alt dette gennem en enkelt, stationær objektiv, åbner plads til en bred vifte af prøver sammenlignet med konventionelle lysarkmikroskoper, der kræver komplekse prøvekamre omgivet af mange linser.

"Folk bliver ofte overrasket over, hvor kompakt, enkel og nem at bruge SCAPE er, " sagde Dr. Hillman, som rutinemæssigt kører SCAPE-systemer rundt i bagagerummet på sin bil for at give forskere praktiske demonstrationer.

Dr. Hillmans team arbejder på at hjælpe forskere over hele verden med at bruge SCAPE til deres egen forskning, inviterer videnskabsmænd til hendes laboratorium på Columbias Zuckerman Institute, eller hjælpe dem med at bygge deres egne systemer, takket være tilskudsstøtte fra National Institutes of Health BRAIN Initiative. Dr. Hillman arbejder også med Leica Microsystems, som har licenseret SCAPE og er i gang med at udvikle en kommerciel version af systemet.

Dr. Hillman tilskriver bred interesse for SCAPE 2.0 til de seneste store fremskridt inden for fluorescerende mærkning, som lader videnskabsmænd få specifikke celler i et dyr til at lyse forskellige farver, og kan endda få celler til at blinke til og fra, når de signalerer til hinanden. Hun bemærker også den voksende indvirkning af små, næsten gennemsigtige dyr såsom C. elegans orme, zebrafisk embryoner og frugtfluer, som kan observeres under naturlig adfærd, eller modificeres til at rekapitulere menneskelige sygdomme. SCAPE 2.0 er perfekt positioneret til at fange symfonien af ​​cellulære begivenheder, bevægelser og reaktioner, der spiller ud i disse levende systemer.

"I vores nye avis, vi viser, hvordan SCAPE 2.0 kan spore individuelle neuroner, der skyder i et helt dyr, mens det kravler rundt, giver os et nyt vindue til, hvordan neural aktivitet styrer adfærd, " sagde Dr. Hillman, som også er professor i biomedicinsk teknik ved Columbia Engineering.

På trods af at være inspireret af neurovidenskabelige behov, Dr. Hillman bemærker, at mange af de førnævnte mærkningsmetoder og dyremodeller nu transformerer andre forskningsområder, lader videnskabsmænd undersøge, hvordan kræftsvulstceller signalerer til hinanden, hvordan immunceller finder deres mål, eller hvordan hjertet og det kardiovaskulære system påvirkes af medicin og sygdomme.

”Det er virkelig spændende at se teknikker, stimuleret af BRAIN-initiativet, har stadig bredere indvirkning på videnskab og medicin," sagde Dr. Hillman.

Ved at anerkende denne mulighed, Dr. Hillman samarbejdede med pædiatrisk kardiolog Kimara Targoff, MD, at sætte SCAPE 2.0 i gang med at studere, hvordan hjertet udvikler sig. Dr. Targoffs laboratorium bruger zebrafisk som en dyremodel til at tyde de genetiske mutationer, der kan forårsage misdannelser i hjertet i embryoet. Forståelse af, hvordan disse mutationer fører til sygdom, kunne informere behandlinger for børn, der lever med medfødt hjertesygdom.

"Problemet med at afbilde det bankende hjerte er, at det slår hurtigt, ændre sin form, når blodet strømmer gennem det i en lang række retninger, " sagde Dr. Targoff. som er assisterende professor i pædiatri ved Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons og medforfatter til dagens papir. "Med SCAPE 2.0, vi kan afbilde zebrafiskembryoets bankende hjerte i 3D og i realtid, giver os mulighed for at se, hvordan calciumsignaler sendt mellem hjerteceller får hjertevæggen til at trække sig sammen, eller hvordan røde blodlegemer strømmer gennem hjerteklapperne slag efter slag. Ved at bruge denne viden, vi kan spore, hvordan en bestemt genetisk mutation påvirker normal hjerteudvikling i et miljø, der nærmest gengiver hjertets naturlige tilstand. "

Lysten til at følge en enkelt rød blodlegeme, når den bevæger sig gennem det bankende hjerte, var en drivkraft bag at skubbe hastighedsgrænserne for SCAPE 2.0.

For at nå disse hidtil usete hastigheder, Dr. Hillmans team arbejdede tæt sammen med Lambert Instruments, udnytter virksomhedens ultrahurtige HiCAM Fluo-kamera. Dette kamera blev brugt til at tage billeder ved mere end 18, 000 billeder i sekundet i zebrafiskembryoets bankende hjerte. Denne nye konfiguration åbnede døren for at registrere individuelle neuroner, der affyrede i C. elegans orme, der bevæger sig frit, giver det første billede af et dyrs komplette nervesystem i aktion. SCAPE 2.0's andre opgraderinger inkluderer forbedret lyseffektivitet, et større synsfelt og meget forbedret rumlig opløsning.

SCAPE 2.0's forbedrede opløsning gjorde det også muligt for teamet at tage billeder af prøver, der var lavet ved hjælp af vævsrensning og vævsudvidelse. Disse metoder lader videnskabsmænd se strukturer og forbindelser dybt inde i intakte prøver, fra hele musehjerner til tumorer og humane biopsier. Selvom disse prøver ikke er i live, de er meget store og tager lang tid at afbilde ved hjælp af standardmikroskoper. Dagens papir viser, at SCAPE 2.0 kunne afbilde disse typer prøver med rekordhastigheder.

Dr. Hillman og hendes team fortsætter med at udvikle og forbedre SCAPE for yderligere at udvide dets brugbarhed, mens du arbejder med en stadigt voksende gruppe af samarbejdspartnere, fra Zuckerman Institute neuroforskere til Columbia vulkanolog Einat Lev Ph.D., som bruger SCAPE til at forestille sig, hvordan gasbobler dannes under vulkanudbrud.

Dr. Hillmans team er også ved at udvikle en miniaturiseret version af SCAPE til medicinsk brug, hurtigt at skelne mellem sunde og syge celler i en patients krop, at give læger en ny måde at guide, hvordan man udfører komplekse operationer på operationsstuen.

"Begrænsningerne af værktøjer og teknikker begrænser ofte, hvad videnskabsmænd tror, ​​de kan studere, " sagde Dr. Hillman, som også er professor i radiologi ved Columbias Vagelos College of Physicians and Surgeons. "SCAPE 2.0 åbner et nyt landskab af ting, som vi kan se. Jeg håber, at vores nye resultater vil inspirere forskere til at tænke over, hvilke nye spørgsmål der kan stilles, og hvilke nye videnskabelige opdagelser vi kan udforske næste gang."

Dette papir har titlen "Real-time volumetrisk mikroskopi af in-vivo dynamik og storskala prøver med SCAPE 2.0."