編碼光片陣列顯微術(shù)提高3D成像速度

國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的光學(xué)成像技術(shù)——編碼光片陣列顯微術(shù)（CLAM），它可以高速進(jìn)行3D成像，并且具有足夠的功率效率和柔和度，能夠在掃描過(guò)程中以現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法達(dá)到的水平保存活體標(biāo)本。

數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家一直在使用熒光顯微鏡來(lái)研究生物細(xì)胞和生物的內(nèi)部運(yùn)作。但是，這些平臺(tái)中的許多平臺(tái)通常太慢，無(wú)法跟隨3D的生物學(xué)作用，并可能在強(qiáng)光照射下對(duì)生物樣本造成破壞。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，由香港大學(xué)（HKU）電氣與電子工程學(xué)系副教授兼生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)學(xué)士學(xué)位課程主任、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Kevin Tsia博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的光學(xué)成像技術(shù)——編碼光片陣列顯微術(shù)（CLAM）。它可以高速進(jìn)行3D成像，并且具有足夠的功率效率和柔和度，能夠在掃描過(guò)程中以現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法達(dá)到的水平保存活體標(biāo)本。

Kevin Tsia博士（右一）和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的光學(xué)成像技術(shù)，可以使3D熒光顯微鏡更高效，更不損壞。

這項(xiàng)先進(jìn)的成像技術(shù)最近發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》上，這項(xiàng)創(chuàng)新已經(jīng)提交了美國(guó)專利申請(qǐng)。

新光學(xué)成像技術(shù)——編碼光片陣列顯微術(shù)（CLAM）

現(xiàn)有的3D生物顯微鏡平臺(tái)速度較慢，因?yàn)楸仨氁来螔呙铇?biāo)本的全部體積，并逐點(diǎn)、逐行或逐平面成像。在這些平臺(tái)上，單個(gè)3D快照需要在標(biāo)本上重復(fù)照明，標(biāo)本的光照強(qiáng)度通常是日光的數(shù)千倍至百萬(wàn)倍，這很可能會(huì)損壞標(biāo)本本身，因此不利于長(zhǎng)期用于各種解剖學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域的生物成像。

此外，這些平臺(tái)通常很快耗盡有限的熒光“預(yù)算”——這是一個(gè)基本限制，即熒光燈只能在有限的時(shí)間內(nèi)通過(guò)照明產(chǎn)生，然后在一個(gè)稱為“光漂白”的過(guò)程中永久消失，這就限制了在一個(gè)樣本上可以執(zhí)行多少圖像采集。

編碼光片陣列顯微鏡（CLAM） 香港大學(xué)

Tsia博士說(shuō)：“ 樣品上的重復(fù)照明不僅會(huì)加速光致漂白，而且還會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熒光，最終無(wú)法形成最終圖像。因此，熒光'預(yù)算'在這些成像平臺(tái)上被大大浪費(fèi)了。而CLAM允許以高幀速率進(jìn)行3D熒光成像，與最先進(jìn)的技術(shù)（每秒約10倍的體積）相當(dāng)。更重要的是，它比科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)3D顯微鏡更節(jié)能，比標(biāo)準(zhǔn)3D顯微鏡溫和1000倍以上，這大大減少了掃描過(guò)程中對(duì)活體標(biāo)本造成的損害?！?/p>

據(jù)介紹，CLAM的核心技術(shù)是使用一對(duì)平行反射鏡將單個(gè)激光束轉(zhuǎn)換成高密度的“光片”陣列，以熒光激發(fā)的方式將其擴(kuò)散到整個(gè)樣品區(qū)域。

整個(gè)3D體積內(nèi)的圖像可以同時(shí)（即并行化）拍攝的，而無(wú)需按其他技術(shù)的要求逐點(diǎn)、逐行或逐平面掃描樣本。這樣的CLAM中的3D并行化可產(chǎn)生非常柔和而有效的3D熒光成像，而不會(huì)犧牲靈敏度和速度，CLAM在降低光漂白效果方面也勝過(guò)普通的3D熒光成像方法。

同時(shí)，為了在CLAM中保持圖像分辨率和質(zhì)量，團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了碼分復(fù)用（CDM），這是一種圖像編碼技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于電信領(lǐng)域，用于同時(shí)發(fā)送多個(gè)信號(hào)。

開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)的另一位博士后研究員Queenie Lai博士解釋說(shuō)：“這種編碼技術(shù)使我們能夠使用2D圖像傳感器同時(shí)捕獲和數(shù)字重建3D中的所有圖像堆棧。CDM以前從未在3D成像中使用過(guò)，我們采用了這項(xiàng)技術(shù)，并取得了成功。”

作為概念驗(yàn)證的演示，該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用CLAM以每秒超過(guò)10體積的體積速率捕獲微流體芯片中快速微粒流動(dòng)的3D視頻。

挑戰(zhàn)極限 提高CLAM掃描速度

CLAM對(duì)成像速度沒(méi)有根本的限制，唯一的限制來(lái)自系統(tǒng)中使用的檢測(cè)器（即用于拍攝快照的相機(jī)）的速度。隨著高速相機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CLAM始終可以挑戰(zhàn)其極限，以達(dá)到更高的掃描速度。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采取了行動(dòng)，將CLAM與HKU LKS醫(yī)學(xué)院新開(kāi)發(fā)的組織清除技術(shù)相結(jié)合，以高幀頻對(duì)小鼠腎小球和腸血管系統(tǒng)進(jìn)行3D可視化。

使用CLAM進(jìn)行3D高速成像。學(xué)分：香港大學(xué)

蔡醫(yī)生說(shuō)：“我們預(yù)計(jì)，這種組合技術(shù)可以擴(kuò)展到檔案生物學(xué)樣本的大規(guī)模3D組織病理學(xué)研究，例如在大腦中繪制細(xì)胞組織以進(jìn)行神經(jīng)科學(xué)研究。由于CLAM成像比其他所有方法都要溫和得多，因此它獨(dú)特地有利于對(duì)生物樣本以其活體形式進(jìn)行長(zhǎng)期和連續(xù)的'監(jiān)視'。這可能會(huì)影響我們對(duì)細(xì)胞生物學(xué)許多方面的基本了解，例如不斷跟蹤動(dòng)物胚胎發(fā)育成成年形式；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞/生物如何被細(xì)菌或病毒感染；觀察癌細(xì)胞如何被藥物殺死，以及當(dāng)今現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的其他挑戰(zhàn)性任務(wù)?！?/p>

CLAM可以通過(guò)最少的硬件或軟件修改就適用于許多當(dāng)前的顯微鏡系統(tǒng)。利用此優(yōu)勢(shì)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步升級(jí)當(dāng)前的CLAM系統(tǒng)，以進(jìn)行細(xì)胞生物學(xué)、動(dòng)植物發(fā)育生物學(xué)研究。