Light-sheet fluorescensbilleddannelse bliver mere paralleliseret

Et arsenal af avancerede mikroskopiværktøjer er nu tilgængeligt til at give højkvalitetsvisualisering af celler og organismer i 3-D og har dermed underbygget vores forståelse af de komplekse biologiske systemer og funktioner.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , et forskerhold ledet af University of Hong Kong (HKU) udviklede en ny form for billeddannelsesmodalitet, opfundet kodet lysark-arraymikroskopi (CLAM), der tillader fuld 3-D paralleliseret fluorescensbilleddannelse uden nogen scanningsmekanisme - en evne, der ellers er udfordrende i de eksisterende teknikker.

Etablerede 3-D biologiske mikroskopiteknikker, især konfokal, multifotonmikroskopi, og lysark fluorescensmikroskopi (LSFM), overvejende afhængig af laserscanning til billedoptagelse. Endnu, det kommer på bekostning af billedhastigheden, fordi hele volumen skal scannes sekventielt punkt for punkt, linje-for-linje eller plan-for-plan ved en hastighed begrænset af de mekaniske bevægelser, der involverer billeddelene.

Værre endnu, mange serielle scanningstilgange fremkalder gentagne gange ufokuseret fluorescens, og dermed fremskynde fotoblegning og fotoskader. De er derfor ikke gunstige for langsigtet, volumetrisk billeddannelse i stor skala, der er kritisk påkrævet i så forskellige applikationer som anatomisk videnskab, udviklingsbiologi og neurovidenskab.

3-D parallelisering i CLAM kræver endnu blidere belysning for at opnå et lignende niveau af billedfølsomhed ved den samme volumetriske billedhastighed. Derfor, det reducerer fotoblegningshastigheden yderligere og dermed risikoen for fotoskader. Dette er en kritisk egenskab for at bevare den biologiske prøves levedygtighed i langtidsovervågningsundersøgelser.

Hjertet i CLAM er konceptet om 'uendelighedsspejlet' (dvs. et par parallelle spejle), som er almindeligt inden for billedkunst og dekoration, og er tidligere blevet adopteret af det samme team for at muliggøre ultrahurtig optofluidisk enkeltcelle-billeddannelse. Her brugte holdet 'uendelighedsspejlet' sammen med enkel stråleformning til at transformere en enkelt laserstråle til en højdensitetsarray af få tiere af lysark til 3-D paralleliseret fluorescensexcitation.

"Et tydeligt træk ved CLAM er dets evne til fleksibelt at omkonfigurere den rumlige tæthed og tidsmæssige sammenhæng af lysark-arrayet, blot ved at justere spejlets geometri, såsom spejladskillelse og hældningsvinkel, " forklarede Dr. Yuxuan Ren, postdoc-forskeren og værkets førsteforfatter.

"Denne evne har været udfordrende i de eksisterende sammenhængende bølgefrontsformningsmetoder, alligevel kunne tillade effektiv paralleliseret 3-D LSFM i spredt vævsbilleddannelse med minimal speckle artefakt, " tilføjede Ren.

CLAM anvender også code division multiplexing (CDM) (f.eks. ortogonal frekvensdelingsmultipleksing demonstreret i dette arbejde), en teknik, der er meget udbredt inden for telekommunikation, at præge fluorescenssignalet fra hvert billedplan med en unik kode. Som resultat, det tillader paralleliseret 3-D-billedoptagelse med optisk snit ved at bruge en 2-D-billedsensor.

"CLAM har ingen fundamental begrænsning i skalering til højere lydstyrke, da kamerateknologien konstant udvikler sig, "Dr. Kevin Tsia, Lektor i Institut for Elektro- og Elektronikteknik på HKU og holdets førende forsker påpegede.

"Også, CLAM kan tilpasses til alle eksisterende LSFM-systemer med minimal hardware- eller softwaremodifikation. Derfor, den er let tilgængelig til formidling til det bredere samfund af LSFM og relaterede 3-D billeddannelsesteknikker, " tilføjede Tsia.