3D組織成像:快速預(yù)覽到高分辨率成像的一鍵切換
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全場(chǎng)景顯微成像分析平臺(tái)MICA集3D采集和AI定量于一體。
3D組織成像廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域。研究人員利用它來(lái)揭示組織組成和完整性的詳細(xì)信息,或從實(shí)驗(yàn)操作中得出結(jié)論,或比較健康與不健康的樣本。本文介紹了MICA如何幫助研究人員進(jìn)行3D組織成像。
3D組織成像
模式生物或患者的組織切片可用于分析從組織到細(xì)胞的各種形態(tài),進(jìn)而發(fā)現(xiàn)健康和非健康樣本以及對(duì)照樣品和實(shí)驗(yàn)樣品之間的差異。例如,是否存在特定細(xì)胞或它們的形態(tài)(即形狀、體積、長(zhǎng)度、面積)都是有意義的參數(shù)。
熒光顯微鏡有助于識(shí)別特定標(biāo)記的細(xì)胞或細(xì)胞組分。因此,要么用轉(zhuǎn)熒光標(biāo)記基因生物,要么用免疫熒光染色。此外,某些基因和轉(zhuǎn)錄也可以通過(guò)熒光原位雜交 (Fluorescence in Situ Hybridization, FISH) 進(jìn)行可視化。
3D組織成像的一個(gè)示例是,對(duì)腦部神經(jīng)元進(jìn)行成像,以確定它們的長(zhǎng)度、體積或與其它細(xì)胞的連接。例如,可以對(duì)患有局部腦缺血的模式生物制作腦部切片,以了解形態(tài)差異和細(xì)胞數(shù)量。
挑 戰(zhàn)
首要的挑戰(zhàn)之一是使用顯微鏡初步觀察樣本。需要將樣本置于載物臺(tái)上并不斷調(diào)整三維位置以確保對(duì)樣本進(jìn)行正確成像。你從目鏡或屏幕上看到的只是樣本極小的一部分。因此,要將樣本保持在正確的焦距內(nèi)并找到正確位置,以便找到感興趣的區(qū)域,是一個(gè)非常麻煩的過(guò)程。MICA的樣本查找功能通過(guò)將樣本聚焦并生成每個(gè)相關(guān)區(qū)域的低倍率預(yù)覽圖來(lái)自動(dòng)化這個(gè)過(guò)程,這個(gè)功能可以用于整個(gè)成像過(guò)程的定位。
下一個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)置成像參數(shù),因此可以在看到感興趣的信號(hào)下,避免樣本遭受不必要的光漂白。這一步驟通常要同時(shí)選擇激發(fā)和接受檢測(cè)的技術(shù)參數(shù),因?yàn)槊恳豁?xiàng)參數(shù)都會(huì)對(duì)樣本和獲得的結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。使用MICA,您只需輕輕點(diǎn)擊一下“Live”,便可自動(dòng)完成可視化熒光所需的所有參數(shù)設(shè)置??呻S時(shí)通過(guò)點(diǎn)擊“OneTouch”執(zhí)行這一自動(dòng)化設(shè)置來(lái)優(yōu)化當(dāng)前視圖的參數(shù)。更改顯微鏡的特定技術(shù)參數(shù)前,實(shí)驗(yàn)人員通常需要了解更改參數(shù)將產(chǎn)生的影響,但在MICA中,設(shè)置是輸出驅(qū)動(dòng)型的,也就是說(shuō),可定義所需的輸出,然后自動(dòng)完成對(duì)應(yīng)的調(diào)整。
一般而言,第 一步是確定要成像的正確位置。實(shí)驗(yàn)人員需要使用目鏡了解樣本的整體概況,并記住不同的位置。數(shù)字顯微鏡可以生成樣本的概覽,這可以提供一些幫助,但實(shí)驗(yàn)人員仍然需要指出圖像中要進(jìn)一步成像的位置。MICA的Navigator工具可簡(jiǎn)化這一過(guò)程。用戶可以生成低倍或高倍的預(yù)覽,輕松定位感興趣的區(qū)域,并可以使用工具直接在圖像上標(biāo)記出感興趣的樣本區(qū)域。這樣后續(xù)高分辨率圖片就可以保存下來(lái)。
高放大倍數(shù)物鏡通常需要使用浸沒(méi)式介質(zhì),最 常見的是水和油。水為水溶液中的成像樣品匹配了最 佳的光學(xué)指數(shù),而油為包埋的成像樣品匹配了最 佳的光學(xué)指數(shù)。水浸物鏡也可用于固定式樣本,但會(huì)稍微影響成像質(zhì)量。MICA可同時(shí)滿足兩種需求。水鏡還具有全自動(dòng)化操作的額外優(yōu)勢(shì),水的浸入可以自動(dòng)建立并維持。為進(jìn)一步提高光學(xué)質(zhì)量,一些物鏡會(huì)通過(guò)校正環(huán)來(lái)補(bǔ)償樣本板的厚度。校正環(huán)可手動(dòng)、也可自動(dòng)操作。MICA配置了自動(dòng)校正環(huán)功能,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化。
相對(duì)厚度是組織切片成像的另一大挑戰(zhàn)。厚切片會(huì)形成較多的散射光,干擾所需信號(hào)。THUNDER可減少背景模糊,為組織成像提供了一種寶貴的計(jì)算成像方法。 MICA集THUNDER于一體,可在合理的時(shí)間范圍內(nèi)確定感興趣的區(qū)域。
除了類似于THUNDER的計(jì)算清除方法,共聚焦激光掃描顯微術(shù)(CLSM)等光學(xué)部分也是3D組織玻片成像的一種方法。這種方法中,可獲得性和可用性方面也是挑戰(zhàn)。
除了技術(shù)設(shè)置比較復(fù)雜,共聚焦顯微鏡所需的培訓(xùn)時(shí)間一般也更長(zhǎng)。MICA集共聚焦和寬場(chǎng)成像于一體,最 大程度減少了成像參數(shù)設(shè)置,縮短了所需的培訓(xùn)時(shí)間,同時(shí)也降低了操作顯微鏡的技能要求。
另外,共聚焦和寬場(chǎng)成像模式的圖像設(shè)置有相同的外觀和使用感受,因此,用戶無(wú)需學(xué)習(xí)兩種系統(tǒng)的操作方法。而且,用戶可隨意在寬場(chǎng)和共聚焦兩種模式間切換而無(wú)需在兩種成像系統(tǒng)間轉(zhuǎn)移樣本。
科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵方面是,改變盡可能少的變量,以確定對(duì)樣本和結(jié)果的任何影響。除了保證樣本處理相同外,另一個(gè)方面是針對(duì)激發(fā)和接收檢測(cè)成像參數(shù)相同。MICA默認(rèn)在不同項(xiàng)目中保持成像參數(shù)不變,用戶僅基于自己的需求進(jìn)行調(diào)整??筛鶕?jù)參考圖像輕松恢復(fù)成像參數(shù)。
方法
三個(gè)厚度為250μm的小鼠腦部切片包含下述熒光標(biāo)記物:
細(xì)胞核(DAPI,品紅色)
神經(jīng)元(細(xì)胞質(zhì)GFP,青色)
星形膠質(zhì)細(xì)胞(GFAP-DsRed,紅色)
將切片固定于載玻片支架中(圖1)并置于載物臺(tái)上進(jìn)行成像。
圖1:用于玻片成像的MICA玻片夾,例如組織切片。
在樣本定義中輸入蓋玻片類型和染料等基本信息。利用這一信息,Sample Finder可以識(shí)別蓋玻片并自動(dòng)生成低倍的預(yù)覽。對(duì)整個(gè)蓋玻片的預(yù)覽可以用來(lái)識(shí)別三個(gè)組織切片,然后用Navigator工具進(jìn)行標(biāo)記。隨后無(wú)需手動(dòng)調(diào)整成像參數(shù),便可以在20倍寬場(chǎng)模式下對(duì)標(biāo)記區(qū)域生成掃描拼接圖像。在這個(gè)放大倍數(shù)和分辨率下,就能在組織切片上識(shí)別出感興趣的區(qū)域,然后用共聚焦顯微鏡成像。此時(shí),MICA會(huì)在相關(guān)區(qū)域切換為共聚焦模式,記錄高清晰圖像,包括三維立體圖像。定義三維立體圖像時(shí),可以手動(dòng)或單擊鼠標(biāo)自動(dòng)設(shè)置限制。z Range Finder工具自動(dòng)確定3D圖像掃描開始和結(jié)束部分。
成像后,可借助MICA Learn & Results工具測(cè)量樹突棘。為此,使用pixel classifier在疊層投影下識(shí)別棘突。pixel classifier簡(jiǎn)單易用且功能強(qiáng)大,用戶只需使用類似于繪畫工具的繪圖工具標(biāo)記對(duì)象的示例,在這種情況下為棘突。通過(guò)訓(xùn)練模型,更好地再現(xiàn)輸入,然后提供圖像中其他對(duì)象的預(yù)覽。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后,就可使用模型分析圖像。結(jié)果
找到載玻片預(yù)覽上單個(gè)腦部切片,然后使用Magic Wand工具進(jìn)行標(biāo)記以進(jìn)行掃描拼接。Magic Wand自動(dòng)識(shí)別組織切片的邊界并相應(yīng)地定義所需的拼接。
圖2:MICA在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)進(jìn)行完整的玻片預(yù)覽(寬場(chǎng)),便于更輕松地定位。借助該信息的信息,可找到大圖掃描拼接的感興趣區(qū)域??墒褂肕agic Wand工具自動(dòng)化檢測(cè)感興趣區(qū)域。
MICA可同時(shí)采集最 多四個(gè)熒光團(tuán),因此相比基于濾光塊的序列成像的顯微系統(tǒng),可有效節(jié)約用戶的時(shí)間。在單次掃描拼接中,可找到感興趣區(qū)域,并在共聚焦模式下以更高的放大倍數(shù)觀察更多的細(xì)節(jié)。
二維圖像需要借助三維數(shù)據(jù)以獲得更詳細(xì)的信息。為此,z界面中定義了三維立體模式。
在CLSM下進(jìn)行立體采集后(120μm厚),可在三維觀察器中可視化數(shù)據(jù),獲得腦部樣本的更多空間信息。
圖3:三維重構(gòu)CLSM。通過(guò)三維采集進(jìn)一步研究組織切片。利用獲得的三維信息,用戶可以更好地了解樣本的空間狀況,例如了解細(xì)胞間的連接。
對(duì)于定量來(lái)說(shuō),可根據(jù)三維采集信息生成最 大投影來(lái)測(cè)量樣本樹突棘的平均面積。pixel classifier識(shí)別棘突,分析工具則確定面積。得到的數(shù)值可繪制成圖,以可視化數(shù)據(jù)和相關(guān)性。圖4顯示了樹突棘面積的直方圖。這些結(jié)果也可通過(guò)箱線圖的形式顯示,來(lái)比較不同的樹突棘群落(圖4)。
圖4:分析。MICA不僅采集圖像,還可對(duì)它們進(jìn)行分析。
為此,可使用基于人工智能技術(shù)的pixel classifier來(lái)識(shí)別相關(guān)的圖像細(xì)節(jié)。隨后,識(shí)別出的對(duì)象可以被量化并顯示在圖形中。在本示例中,樹突棘的平均面積在最 大投影上測(cè)量。
結(jié)論
MICA是用于三維組織成像的有效工具:使用pixel classifier功能,用戶可以快速了解樣本的整體質(zhì)量,確定進(jìn)一步的操作。隨后,Navigator視圖可對(duì)組織切片進(jìn)行更深入的觀察。Magic Wand等工具用于快速定義感興趣的區(qū)域,加上4個(gè)通道的同時(shí)成像,可加快大圖掃描拼接的速度。使用新的z界面使三維采集更加簡(jiǎn)化,pixel classifier能輔助后續(xù)分析。
簡(jiǎn)而言之,MICA集寬場(chǎng)成像和共聚焦成像于一個(gè)系統(tǒng)中。它可以幫助用戶在一個(gè)系統(tǒng)中完成從圖像預(yù)覽到三維細(xì)節(jié)成像再到分析的整個(gè)工作流程。
參考資料:
Efficient Long-term Time-lapse Microscopy, Science Lab (2022) Leica Microsystems.
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- 3D組織成像:快速預(yù)覽到高分辨率成像的一鍵切換
全場(chǎng)景顯微成像分析平臺(tái)MICA集3D采集和AI定量于一體。
3D組織成像廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域。研究人員利用它來(lái)揭示組織組成和完整性的詳細(xì)信息,或從實(shí)驗(yàn)操作中得出結(jié)論,或比較健康與不健康的樣本。本文介紹了MICA如何幫助研究人員進(jìn)行3D組織成像。
3D組織成像模式生物或患者的組織切片可用于分析從組織到細(xì)胞的各種形態(tài),進(jìn)而發(fā)現(xiàn)健康和非健康樣本以及對(duì)照樣品和實(shí)驗(yàn)樣品之間的差異。例如,是否存在特定細(xì)胞或它們的形態(tài)(即形狀、體積、長(zhǎng)度、面積)都是有意義的參數(shù)。
熒光顯微鏡有助于識(shí)別特定標(biāo)記的細(xì)胞或細(xì)胞成分。因此,要么用轉(zhuǎn)熒光標(biāo)記基因生物,要么用免疫熒光染色。此外,某些基因和轉(zhuǎn)錄也可以通過(guò)熒光原位雜交 (Fluorescence in Situ Hybridization, FISH) 進(jìn)行可視化。
3D組織成像的一個(gè)示例是,對(duì)腦部神經(jīng)元進(jìn)行成像,以確定它們的長(zhǎng)度、體積或與其它細(xì)胞的連接。例如,可以對(duì)患有局部腦缺血的模式生物制作腦部切片,以了解形態(tài)差異和細(xì)胞數(shù)量。
挑戰(zhàn)
首要的挑戰(zhàn)之一是使用顯微鏡初步觀察樣本。需要將樣本置于載物臺(tái)上并不斷調(diào)整三維位置以確保對(duì)樣本進(jìn)行正確成像。你從目鏡或屏幕上看到的只是樣本極小的一部分。因此,要將樣本保持在正確的焦距內(nèi)并找到正確位置,以便找到感興趣的區(qū)域,是一個(gè)非常麻煩的過(guò)程。MICA的樣本查找功能通過(guò)將樣本聚焦并生成每個(gè)相關(guān)區(qū)域的低倍率預(yù)覽圖來(lái)自動(dòng)化這個(gè)過(guò)程,這個(gè)功能可以用于整個(gè)成像過(guò)程的定位。
下一個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)置成像參數(shù),因此可以在看到感興趣的信號(hào)下,避免樣本遭受不必要的光漂白。這一步驟通常要同時(shí)選擇激發(fā)和接受檢測(cè)的技術(shù)參數(shù),因?yàn)槊恳豁?xiàng)參數(shù)都會(huì)對(duì)樣本和獲得的結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。使用MICA,您只需輕輕點(diǎn)擊一下“Live”,便可自動(dòng)完成可視化熒光所需的所有參數(shù)設(shè)置??呻S時(shí)通過(guò)點(diǎn)擊“OneTouch”執(zhí)行這一自動(dòng)化設(shè)置來(lái)優(yōu)化當(dāng)前視圖的參數(shù)。更改顯微鏡的特定技術(shù)參數(shù)前,實(shí)驗(yàn)人員通常需要了解更改參數(shù)將產(chǎn)生的影響,但在MICA中,設(shè)置是輸出驅(qū)動(dòng)型的,也就是說(shuō),可定義所需的輸出,然后自動(dòng)完成對(duì)應(yīng)的調(diào)整。
一般而言,第一步是確定要成像的正確位置。實(shí)驗(yàn)人員需要使用目鏡了解樣本的整體概況,并記住不同的位置。數(shù)字顯微鏡可以生成樣本的概覽,這可以提供一些幫助,但實(shí)驗(yàn)人員仍然需要指出圖像中要進(jìn)一步成像的位置。MICA的Navigator工具可簡(jiǎn)化這一過(guò)程。用戶可以生成低倍或高倍的預(yù)覽,輕松定位感興趣的區(qū)域,并可以使用工具直接在圖像上標(biāo)記出感興趣的樣本區(qū)域。這樣后續(xù)高分辨率圖片就可以保存下來(lái)。
高放大倍數(shù)物鏡通常需要使用浸沒(méi)式介質(zhì),最常見的是水和油。水為水溶液中的成像樣品匹配了最佳的光學(xué)指數(shù),而油為包埋的成像樣品匹配了最佳的光學(xué)指數(shù)。水浸物鏡也可用于固定式樣本,但會(huì)稍微影響成像質(zhì)量。MICA可同時(shí)滿足兩種需求。水鏡還具有全自動(dòng)化操作的額外優(yōu)勢(shì),水的浸入可以自動(dòng)建立并維持。為進(jìn)一步提高光學(xué)質(zhì)量,一些物鏡會(huì)通過(guò)校正環(huán)來(lái)補(bǔ)償樣本板的厚度。校正環(huán)可手動(dòng)、也可自動(dòng)操作。MICA配置了自動(dòng)校正環(huán)功能,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化。
相對(duì)厚度是組織切片成像的另一大挑戰(zhàn)。厚切片會(huì)形成較多的散射光,干擾所需信號(hào)。THUNDER可減少背景模糊,為組織成像提供了一種寶貴的計(jì)算成像方法。 MICA集THUNDER于一體,可在合理的時(shí)間范圍內(nèi)確定感興趣的區(qū)域,
除了類似于THUNDER的計(jì)算清除方法,共聚焦激光掃描顯微術(shù)(CLSM)等光學(xué)部分也是3D組織玻片成像的一種方法。這種方法中,可獲得性和可用性方面也是挑戰(zhàn)。
除了技術(shù)設(shè)置比較復(fù)雜,共聚焦顯微鏡所需的培訓(xùn)時(shí)間一般也更長(zhǎng)。MICA集共聚焦和寬場(chǎng)成像于一體,最大程度減少了成像參數(shù)設(shè)置,縮短了所需的培訓(xùn)時(shí)間,同時(shí)也降低了操作顯微鏡的技能要求。
另外,共聚焦和寬場(chǎng)成像模式的圖像設(shè)置有相同的外觀和使用感受,因此,用戶無(wú)需學(xué)習(xí)兩種系統(tǒng)的操作方法。而且,用戶可隨意在寬場(chǎng)和共聚焦兩種模式間切換而無(wú)需在兩種成像系統(tǒng)間轉(zhuǎn)移樣本。
科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵方面是,改變盡可能少的變量,以確定對(duì)樣本和結(jié)果的任何影響。除了保證樣本處理相同外,另一個(gè)方面是針對(duì)激發(fā)和接收檢測(cè)成像參數(shù)相同。MICA默認(rèn)在不同項(xiàng)目中保持成像參數(shù)不變,用戶僅基于自己的需求進(jìn)行調(diào)整。可根據(jù)參考圖像輕松恢復(fù)成像參數(shù)。
方法
三個(gè)厚度為250μm的小鼠腦部切片包含下述熒光標(biāo)記物:· 細(xì)胞核(DAPI,品紅色)
· 神經(jīng)元(細(xì)胞質(zhì)GFP,青色)
· 星形膠質(zhì)細(xì)胞(GFAP-DsRed,紅色)
將切片固定于載玻片支架中(圖1)并置于載物臺(tái)上進(jìn)行成像。
圖2: MICA在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)進(jìn)行完整的玻片預(yù)覽(寬場(chǎng)),便于更輕松地定位。
借助該信息的信息,可找到大圖掃描拼接的感興趣區(qū)域??墒褂肕agic Wand工具自動(dòng)化檢測(cè)感興趣區(qū)域。
MICA可同時(shí)采集最多四個(gè)熒光團(tuán),因此相比基于濾光塊的序列成像的顯微系統(tǒng),可有效節(jié)約用戶的時(shí)間。在單次掃描拼接中,可找到感興趣區(qū)域,并在共聚焦模式下以更高的放大倍數(shù)觀察更多的細(xì)節(jié)。
二維圖像需要借助三維數(shù)據(jù)以獲得更詳細(xì)的信息。為此,z界面中定義了三維立體模式。
在CLSM下進(jìn)行立體采集后(120μm厚),可在三維觀察器中可視化數(shù)據(jù),獲得腦部樣本的更多空間信息。
圖3:三維重構(gòu)CLSM。
通過(guò)三維采集進(jìn)一步研究組織切片。利用獲得的三維信息,用戶可以更好地了解樣本的空間狀況,例如了解細(xì)胞間的連接。
對(duì)于定量來(lái)說(shuō),可根據(jù)三維采集信息生成最大投影來(lái)測(cè)量樣本樹突棘的平均面積。pixel classifier識(shí)別棘突,分析工具則確定面積。得到的數(shù)值可繪制成圖,以可視化數(shù)據(jù)和相關(guān)性。圖4顯示了樹突棘面積的直方圖。這些結(jié)果也可通過(guò)箱線圖的形式顯示,來(lái)比較不同的樹突棘群落(圖4)。
圖4:分析。
MICA不僅采集圖像,還可對(duì)它們進(jìn)行分析。為此,可使用基于人工智能技術(shù)的pixel classifier來(lái)識(shí)別相關(guān)的圖像細(xì)節(jié)。隨后,識(shí)別出的對(duì)象可以被量化并顯示在圖形中。在本示例中,樹突棘的平均面積在最大投影上測(cè)量。
結(jié)論
MICA是用于三維組織成像的有效工具:使用pixel classifier功能,用戶可以快速了解樣本的整體質(zhì)量,確定進(jìn)一步的操作。隨后,Navigator視圖可對(duì)組織切片進(jìn)行更深入的觀察。Magic Wand等工具用于快速定義感興趣的區(qū)域,加上4個(gè)通道的同時(shí)成像,可加快大圖掃描拼接的速度。使用新的z界面使三維采集更加簡(jiǎn)化,pixel classifier能輔助后續(xù)分析。
簡(jiǎn)而言之,MICA集寬場(chǎng)成像和共聚焦成像于一個(gè)系統(tǒng)中。它可以幫助用戶在一個(gè)系統(tǒng)中完成從圖像預(yù)覽到三維細(xì)節(jié)成像再到分析的整個(gè)工作流程。
- 3D組織成像:快速預(yù)覽到高分辨率成像的一鍵切換
全場(chǎng)景顯微成像分析平臺(tái)MICA集3D采集和AI定量于一體。
3D組織成像廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域。研究人員利用它來(lái)揭示組織組成和完整性的詳細(xì)信息,或從實(shí)驗(yàn)操作中得出結(jié)論,或比較健康與不健康的樣本。本文介紹了MICA如何幫助研究人員進(jìn)行3D組織成像。
3D組織成像
模式生物或患者的組織切片可用于分析從組織到細(xì)胞的各種形態(tài),進(jìn)而發(fā)現(xiàn)健康和非健康樣本以及對(duì)照樣品和實(shí)驗(yàn)樣品之間的差異。例如,是否存在特定細(xì)胞或它們的形態(tài)(即形狀、體積、長(zhǎng)度、面積)都是有意義的參數(shù)。
熒光顯微鏡有助于識(shí)別特定標(biāo)記的細(xì)胞或細(xì)胞組分。因此,要么用轉(zhuǎn)熒光標(biāo)記基因生物,要么用免疫熒光染色。此外,某些基因和轉(zhuǎn)錄也可以通過(guò)熒光原位雜交 (Fluorescence in Situ Hybridization, FISH) 進(jìn)行可視化。
3D組織成像的一個(gè)示例是,對(duì)腦部神經(jīng)元進(jìn)行成像,以確定它們的長(zhǎng)度、體積或與其它細(xì)胞的連接。例如,可以對(duì)患有局部腦缺血的模式生物制作腦部切片,以了解形態(tài)差異和細(xì)胞數(shù)量。
挑 戰(zhàn)
首要的挑戰(zhàn)之一是使用顯微鏡初步觀察樣本。需要將樣本置于載物臺(tái)上并不斷調(diào)整三維位置以確保對(duì)樣本進(jìn)行正確成像。你從目鏡或屏幕上看到的只是樣本極小的一部分。因此,要將樣本保持在正確的焦距內(nèi)并找到正確位置,以便找到感興趣的區(qū)域,是一個(gè)非常麻煩的過(guò)程。MICA的樣本查找功能通過(guò)將樣本聚焦并生成每個(gè)相關(guān)區(qū)域的低倍率預(yù)覽圖來(lái)自動(dòng)化這個(gè)過(guò)程,這個(gè)功能可以用于整個(gè)成像過(guò)程的定位。
下一個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)置成像參數(shù),因此可以在看到感興趣的信號(hào)下,避免樣本遭受不必要的光漂白。這一步驟通常要同時(shí)選擇激發(fā)和接受檢測(cè)的技術(shù)參數(shù),因?yàn)槊恳豁?xiàng)參數(shù)都會(huì)對(duì)樣本和獲得的結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。使用MICA,您只需輕輕點(diǎn)擊一下“Live”,便可自動(dòng)完成可視化熒光所需的所有參數(shù)設(shè)置??呻S時(shí)通過(guò)點(diǎn)擊“OneTouch”執(zhí)行這一自動(dòng)化設(shè)置來(lái)優(yōu)化當(dāng)前視圖的參數(shù)。更改顯微鏡的特定技術(shù)參數(shù)前,實(shí)驗(yàn)人員通常需要了解更改參數(shù)將產(chǎn)生的影響,但在MICA中,設(shè)置是輸出驅(qū)動(dòng)型的,也就是說(shuō),可定義所需的輸出,然后自動(dòng)完成對(duì)應(yīng)的調(diào)整。
一般而言,第 一步是確定要成像的正確位置。實(shí)驗(yàn)人員需要使用目鏡了解樣本的整體概況,并記住不同的位置。數(shù)字顯微鏡可以生成樣本的概覽,這可以提供一些幫助,但實(shí)驗(yàn)人員仍然需要指出圖像中要進(jìn)一步成像的位置。MICA的Navigator工具可簡(jiǎn)化這一過(guò)程。用戶可以生成低倍或高倍的預(yù)覽,輕松定位感興趣的區(qū)域,并可以使用工具直接在圖像上標(biāo)記出感興趣的樣本區(qū)域。這樣后續(xù)高分辨率圖片就可以保存下來(lái)。
高放大倍數(shù)物鏡通常需要使用浸沒(méi)式介質(zhì),最 常見的是水和油。水為水溶液中的成像樣品匹配了最 佳的光學(xué)指數(shù),而油為包埋的成像樣品匹配了最 佳的光學(xué)指數(shù)。水浸物鏡也可用于固定式樣本,但會(huì)稍微影響成像質(zhì)量。MICA可同時(shí)滿足兩種需求。水鏡還具有全自動(dòng)化操作的額外優(yōu)勢(shì),水的浸入可以自動(dòng)建立并維持。為進(jìn)一步提高光學(xué)質(zhì)量,一些物鏡會(huì)通過(guò)校正環(huán)來(lái)補(bǔ)償樣本板的厚度。校正環(huán)可手動(dòng)、也可自動(dòng)操作。MICA配置了自動(dòng)校正環(huán)功能,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化。
相對(duì)厚度是組織切片成像的另一大挑戰(zhàn)。厚切片會(huì)形成較多的散射光,干擾所需信號(hào)。THUNDER可減少背景模糊,為組織成像提供了一種寶貴的計(jì)算成像方法。 MICA集THUNDER于一體,可在合理的時(shí)間范圍內(nèi)確定感興趣的區(qū)域。
除了類似于THUNDER的計(jì)算清除方法,共聚焦激光掃描顯微術(shù)(CLSM)等光學(xué)部分也是3D組織玻片成像的一種方法。這種方法中,可獲得性和可用性方面也是挑戰(zhàn)。
除了技術(shù)設(shè)置比較復(fù)雜,共聚焦顯微鏡所需的培訓(xùn)時(shí)間一般也更長(zhǎng)。MICA集共聚焦和寬場(chǎng)成像于一體,最 大程度減少了成像參數(shù)設(shè)置,縮短了所需的培訓(xùn)時(shí)間,同時(shí)也降低了操作顯微鏡的技能要求。
另外,共聚焦和寬場(chǎng)成像模式的圖像設(shè)置有相同的外觀和使用感受,因此,用戶無(wú)需學(xué)習(xí)兩種系統(tǒng)的操作方法。而且,用戶可隨意在寬場(chǎng)和共聚焦兩種模式間切換而無(wú)需在兩種成像系統(tǒng)間轉(zhuǎn)移樣本。
科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵方面是,改變盡可能少的變量,以確定對(duì)樣本和結(jié)果的任何影響。除了保證樣本處理相同外,另一個(gè)方面是針對(duì)激發(fā)和接收檢測(cè)成像參數(shù)相同。MICA默認(rèn)在不同項(xiàng)目中保持成像參數(shù)不變,用戶僅基于自己的需求進(jìn)行調(diào)整??筛鶕?jù)參考圖像輕松恢復(fù)成像參數(shù)。
方法
三個(gè)厚度為250μm的小鼠腦部切片包含下述熒光標(biāo)記物:
細(xì)胞核(DAPI,品紅色)
神經(jīng)元(細(xì)胞質(zhì)GFP,青色)
星形膠質(zhì)細(xì)胞(GFAP-DsRed,紅色)
將切片固定于載玻片支架中(圖1)并置于載物臺(tái)上進(jìn)行成像。
圖1:用于玻片成像的MICA玻片夾,例如組織切片。
在樣本定義中輸入蓋玻片類型和染料等基本信息。利用這一信息,Sample Finder可以識(shí)別蓋玻片并自動(dòng)生成低倍的預(yù)覽。對(duì)整個(gè)蓋玻片的預(yù)覽可以用來(lái)識(shí)別三個(gè)組織切片,然后用Navigator工具進(jìn)行標(biāo)記。隨后無(wú)需手動(dòng)調(diào)整成像參數(shù),便可以在20倍寬場(chǎng)模式下對(duì)標(biāo)記區(qū)域生成掃描拼接圖像。在這個(gè)放大倍數(shù)和分辨率下,就能在組織切片上識(shí)別出感興趣的區(qū)域,然后用共聚焦顯微鏡成像。此時(shí),MICA會(huì)在相關(guān)區(qū)域切換為共聚焦模式,記錄高清晰圖像,包括三維立體圖像。定義三維立體圖像時(shí),可以手動(dòng)或單擊鼠標(biāo)自動(dòng)設(shè)置限制。z Range Finder工具自動(dòng)確定3D圖像掃描開始和結(jié)束部分。
成像后,可借助MICA Learn & Results工具測(cè)量樹突棘。為此,使用pixel classifier在疊層投影下識(shí)別棘突。pixel classifier簡(jiǎn)單易用且功能強(qiáng)大,用戶只需使用類似于繪畫工具的繪圖工具標(biāo)記對(duì)象的示例,在這種情況下為棘突。通過(guò)訓(xùn)練模型,更好地再現(xiàn)輸入,然后提供圖像中其他對(duì)象的預(yù)覽。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后,就可使用模型分析圖像。結(jié)果
找到載玻片預(yù)覽上單個(gè)腦部切片,然后使用Magic Wand工具進(jìn)行標(biāo)記以進(jìn)行掃描拼接。Magic Wand自動(dòng)識(shí)別組織切片的邊界并相應(yīng)地定義所需的拼接。
圖2:MICA在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)進(jìn)行完整的玻片預(yù)覽(寬場(chǎng)),便于更輕松地定位。借助該信息的信息,可找到大圖掃描拼接的感興趣區(qū)域??墒褂肕agic Wand工具自動(dòng)化檢測(cè)感興趣區(qū)域。
MICA可同時(shí)采集最 多四個(gè)熒光團(tuán),因此相比基于濾光塊的序列成像的顯微系統(tǒng),可有效節(jié)約用戶的時(shí)間。在單次掃描拼接中,可找到感興趣區(qū)域,并在共聚焦模式下以更高的放大倍數(shù)觀察更多的細(xì)節(jié)。
二維圖像需要借助三維數(shù)據(jù)以獲得更詳細(xì)的信息。為此,z界面中定義了三維立體模式。
在CLSM下進(jìn)行立體采集后(120μm厚),可在三維觀察器中可視化數(shù)據(jù),獲得腦部樣本的更多空間信息。
圖3:三維重構(gòu)CLSM。通過(guò)三維采集進(jìn)一步研究組織切片。利用獲得的三維信息,用戶可以更好地了解樣本的空間狀況,例如了解細(xì)胞間的連接。
對(duì)于定量來(lái)說(shuō),可根據(jù)三維采集信息生成最 大投影來(lái)測(cè)量樣本樹突棘的平均面積。pixel classifier識(shí)別棘突,分析工具則確定面積。得到的數(shù)值可繪制成圖,以可視化數(shù)據(jù)和相關(guān)性。圖4顯示了樹突棘面積的直方圖。這些結(jié)果也可通過(guò)箱線圖的形式顯示,來(lái)比較不同的樹突棘群落(圖4)。
圖4:分析。MICA不僅采集圖像,還可對(duì)它們進(jìn)行分析。
為此,可使用基于人工智能技術(shù)的pixel classifier來(lái)識(shí)別相關(guān)的圖像細(xì)節(jié)。隨后,識(shí)別出的對(duì)象可以被量化并顯示在圖形中。在本示例中,樹突棘的平均面積在最 大投影上測(cè)量。
結(jié)論
MICA是用于三維組織成像的有效工具:使用pixel classifier功能,用戶可以快速了解樣本的整體質(zhì)量,確定進(jìn)一步的操作。隨后,Navigator視圖可對(duì)組織切片進(jìn)行更深入的觀察。Magic Wand等工具用于快速定義感興趣的區(qū)域,加上4個(gè)通道的同時(shí)成像,可加快大圖掃描拼接的速度。使用新的z界面使三維采集更加簡(jiǎn)化,pixel classifier能輔助后續(xù)分析。
簡(jiǎn)而言之,MICA集寬場(chǎng)成像和共聚焦成像于一個(gè)系統(tǒng)中。它可以幫助用戶在一個(gè)系統(tǒng)中完成從圖像預(yù)覽到三維細(xì)節(jié)成像再到分析的整個(gè)工作流程。
參考資料:
Efficient Long-term Time-lapse Microscopy, Science Lab (2022) Leica Microsystems.
- 3D成像:腫瘤及病理組織中的應(yīng)用
常規(guī)的組織學(xué)檢查通常使用冷凍或石蠟包埋的樣本切片,微米級(jí)別厚度的組織切片允許對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記及表征,但卻無(wú)法探知生物樣本的三維特性。切片分析只對(duì)病理樣本的局部進(jìn)行了探測(cè)研究,整個(gè)病理組織中,有相當(dāng)大部分的信息仍未被探索。隨著組織透明化技術(shù)的發(fā)展與光片顯微鏡的誕生,我們終于可以對(duì)完整樣本進(jìn)行完整的成像表征。最近發(fā)表在Nature Reviews Cancer的一篇綜述中[1]總結(jié)了組織透明化、成像技術(shù)及3D成像的新應(yīng)用等。
組織透明化方法在近十年內(nèi)迅速發(fā)展,各種化合物的聯(lián)合使用已被廣泛用于減少光散射和光吸收,并增加光學(xué)顯微鏡在成像中的成像深度。雖然組織透明化最初由神經(jīng)科學(xué)家用于描繪小鼠中shu和外周的神經(jīng)系統(tǒng),而近幾年的研究表明,對(duì)于組織的三維成像也可助力發(fā)育生物學(xué)、免疫學(xué)、腫瘤學(xué)和腫瘤機(jī)理等多種學(xué)科。例如腫瘤研究中,三維熒光成像已被用于評(píng)估腫瘤遷移性、腫瘤組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞異質(zhì)性、表征腫瘤微環(huán)境和評(píng)估腫瘤模型的ZL反應(yīng)等。
作者首先對(duì)各種透明化方法的特點(diǎn)進(jìn)行了比較與介紹,腫瘤因其異質(zhì)性及致密的結(jié)構(gòu)首先需選擇適當(dāng)?shù)耐该骰绞?。接下?lái),作者介紹了3D成像在腫瘤研究中的應(yīng)用:
1.成像并定量:2D成像無(wú)法避免因切片帶來(lái)的數(shù)據(jù)缺失,3D成像則可以很直接的進(jìn)行數(shù)據(jù)定量[2];2.腫瘤結(jié)構(gòu):3D成像有助于從細(xì)胞轉(zhuǎn)化、細(xì)胞骨架等腫瘤模型中進(jìn)行發(fā)生、發(fā)展分析[3];
3.脈管系統(tǒng):脈管系統(tǒng)與腫瘤進(jìn)展及侵襲性相關(guān),3D成像有助于評(píng)估抗血管生成的ZL反應(yīng)[4];
此外,對(duì)完整組織的3D成像也有助于對(duì)于腫瘤的轉(zhuǎn)移評(píng)估、深入探索腫瘤微環(huán)境;腫瘤侵襲、傳播與耐藥性相關(guān)的病理研究;3D組織病理學(xué)研究等。
參考文獻(xiàn):[1] Almagro J, Messal HA, Zaw Thin M, van Rheenen J, Behrens A. Tissue clearing to examine tumour complexity in three dimensions. Nat Rev Cancer. 2021 Jul 30. doi: 10.1038/s41568-021-00382-w. Epub ahead of print. PMID: 34331034.[2] Wei M, Shi L, Shen Y, Zhao Z, Guzman A, Kaufman LJ, Wei L, Min W. Volumetric chemical imaging by clearing-enhanced stimulated Raman scattering microscopy. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 Apr 2;116(14):6608-6617. doi: 10.1073/pnas.1813044116. Epub 2019 Mar 14. PMID: 30872474; PMCID: PMC6452712.[3] Messal HA, Alt S, Ferreira RMM, Gribben C, Wang VM, Cotoi CG, Salbreux G, Behrens A. Tissue curvature and apicobasal mechanical tension imbalance instruct cancer morphogenesis. Nature. 2019 Feb;566(7742):126-130. doi: 10.1038/s41586-019-0891-2. Epub 2019 Jan 30. PMID: 30700911; PMCID: PMC7025886.[4] Dobosz M, Ntziachristos V, Scheuer W, Strobel S. Multispectral fluorescence ultramicroscopy: three-dimensional visualization and automatic quantification of tumor morphology, drug penetration, and antiangiogenic treatment response. Neoplasia. 2014 Jan;16(1):1-13. doi: 10.1593/neo.131848. PMID: 24563615; PMCID: PMC3924547.锘海一站式科研服務(wù),讓科研變得更簡(jiǎn)單!
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- 微透鏡的大視野3D成像
微透鏡
(a) 為微透鏡的大視野3D圖像,通過(guò)hitachi MAP 3D 將多張3D 圖像拼接而成。
(b) 為(a)中紅框部分的形貌像。通過(guò)顏色標(biāo)尺很容易確定高度信息。
(c)(d)是提取的圖.1(b)中劃線區(qū)域的結(jié)果,可以獲得每個(gè)透鏡(箭頭 0-1, 2-3)的水平距離、垂直高度以及頂部和底部的角度。
所以,使用Hitachi Map 3D可以獲得大視野3D圖像和截面輪廓信息。
(a)拼接后的3D圖像(x2k), (b)紅框內(nèi)的形貌圖
(c)(b)中劃線區(qū)域的截面
觀察機(jī)型:FlexSEM1000
觀察條件:5 kV, 2000倍, 30Pa 軟件:Hitachi Map 3D
Material
【大視野3D觀察】
FlexSEM1000
- 原位細(xì)胞3D切割成像技術(shù)基于青鳉胚胎組織的單細(xì)胞提取
- 單細(xì)胞的原位組織提取一直以來(lái)都是一項(xiàng)十分困難的工作,這主要受制于組織之間連接致密難以消化,而機(jī)械力往往很難精確地將單個(gè)細(xì)胞與組織完整的分離。激光切割具有傳統(tǒng)切割技術(shù)所難以匹及的切割精度,是目前一種比較理想的切割手段,因此圍繞激光切割技術(shù)的相關(guān)顯微產(chǎn)品也孕育而生,并在科研領(lǐng)域中越來(lái)越受到關(guān)注。但是激光切割也有其局限性,首先顯微激光切割往往要從表面開始,無(wú)法對(duì)深層組織進(jìn)行切割;另一方面激光的光源往往采用紫外激光光源,這種類型的光源很容易造成組織灼傷,從而影響切割下來(lái)樣品的品質(zhì),因此激光切割的應(yīng)用發(fā)展也受到了諸多限制。
如今ROWIAK公司推出的一款全新的單細(xì)胞分離系統(tǒng)有望解決這一難題。它采用了近紅外雙光子激光切割技術(shù),在保留了激光切割精度優(yōu)勢(shì)的同時(shí),采用近紅外波長(zhǎng)的激光從而避免了激光切中對(duì)組織灼燒的問(wèn)題。因此能夠?qū)崿F(xiàn)jing準(zhǔn)的原位組織中的單個(gè)細(xì)胞的分離。雙光子3D組織切割成像系統(tǒng)TissueSurgeon發(fā)育中的青鳉胚胎青鳉是一種成熟的模式生物,常用于分析發(fā)育和發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞信號(hào)神經(jīng)生物學(xué)研究。其中使用表達(dá)熒光蛋白的轉(zhuǎn)基因胚胎是一種揭示胚胎發(fā)育的良好方法。隨著基因技術(shù)的發(fā)展,研究者們?cè)絹?lái)越多地開始關(guān)注這些標(biāo)記細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄組中的信息。雖然單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)發(fā)展迅速,但是從組織中獲得單細(xì)胞的手段卻十分有限。目前幾乎沒(méi)有手段能夠直接在組織的原位上快速獲取一個(gè)細(xì)胞,但是基于ROWIAK雙光子切割技術(shù),研究者成功地在這方面取得了一些進(jìn)展。青鳉胚胎中感知神經(jīng)中表達(dá)mcherry的細(xì)胞成像研究者為了研究青鳉感覺神經(jīng)分泌細(xì)胞細(xì)胞群中特定表達(dá)m-cherry的轉(zhuǎn)基因細(xì)胞的內(nèi)部遺傳信息,將ROWIAK雙光子3D組織切割成像系統(tǒng)與傳統(tǒng)的顯微操作系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)細(xì)胞的原位分離。研究者首先利用雙光子3D組織切割成像系統(tǒng)對(duì)青鳉胚胎中的mcherry細(xì)胞進(jìn)行了定位,然后根據(jù)其細(xì)胞群的形態(tài)設(shè)定了切割部位,隨后系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的范圍進(jìn)行切割。待切割完成后使用玻璃微管移液器將目標(biāo)的細(xì)胞部位直接取出,即獲得了目標(biāo)組織區(qū)域。這種方法能夠在不破壞樣品原位信息的情況下將感興趣的部位直接jing準(zhǔn)的分離,這對(duì)于揭示生物體的基因表達(dá)情況具有著深遠(yuǎn)的意義。從青鳉胚胎中分離特定表達(dá)mcherry的細(xì)胞團(tuán)參考文獻(xiàn):
Wittbrodt, J. et al. Medaka — a model organism from the Far East. Nature Reviews Genetics 3, 53-64.
Yamamoto, T. (ed.) MEDAKA (Killifish): Biology and strains. Yamamoto, T. (ed.) Keigaku Pub. Co., Tokyo, 1975, pp.365.
Kristin Tessmar-Raible et al.Removal of fluorescently-labeled sensory-neurosecretory cells from forebrain of transgenic Medaka embryos, focusonmicroscop. 2011.
- 3d機(jī)器視覺及功能成像未來(lái)發(fā)展怎么樣
- 凸透鏡的成像原理和成像特點(diǎn)是?
- 簡(jiǎn)述一下就行了. 謝謝!
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