Columbia-teamet bakom det revolutionerande 3-D SCAPE-mikroskopet presenterar idag en ny version av denna höghastighetsbildteknik. I samarbete med forskare från hela världen, de använde SCAPE 2.0 för att avslöja tidigare osynliga detaljer om levande varelser-från neuroner som skjuter inuti en snurrig mask till 3D-dynamiken i ett fiskembryons bankande hjärta, med mycket bättre upplösning och med hastigheter upp till 30 gånger snabbare än deras ursprungliga demonstration.
Dessa förbättringar av SCAPE, publicerad idag i Naturmetoder , lovar att påverka fält lika breda som genetik, kardiologi och neurovetenskap.
Varför är det snabbare, 3D-avbildning så värdefull? "De processer som driver levande saker är dynamiska och ständigt föränderliga, från hur ett djurs celler kommunicerar med varandra, hur en varelse rör sig och ändrar form, "sa Elizabeth Hillman, Ph.D., en huvudutredare vid Columbia's Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute och tidningens författare. "Ju snabbare vi kan bilda oss, ju fler av dessa processer vi kan se-och genom att snabbt avbilda i 3D kan vi se hela det biologiska systemet, snarare än bara ett enda plan, erbjuder en klar fördel jämfört med traditionella mikroskop. "
När Dr Hillmans team först introducerade SCAPE (svepte konfokalt anpassad plan excitation) mikroskopi för fyra år sedan, deras tillvägagångssätt utmanade antaganden om hur man skapar en bild av levande vävnader i höga hastigheter.
"De flesta mikroskop som avbildar levande prover skannar en liten fläck med laserljus runt provet, men punktscanningsmetoden är långsam, ger bara en kort tid att se varje plats, "sade Venkatakaushik Voleti, Ph.D., tidningens första författare som utvecklade SCAPE 2.0 som doktorand i Dr. Hillmans laboratorium. "Vårt system använder en sned, eller vinklad, ljusark för att belysa ett helt plan i provet, och sveper sedan detta ljusark över provet för att bilda en 3D-bild. "
Även om avbildningsprover med ljusark går tillbaka mer än 100 år, SCAPEs uppfinningsrikedom ligger i att det snabbt flyttar ljusarket och fokuserar bilden av detta ark tillbaka till en stillastående kamera med en enda rörlig spegel - vilket gör det blixtsnabbt och förvånansvärt enkelt. Dessutom, SCAPE är skonsam mot levande prover eftersom den bara använder en bråkdel av ljuset som punktskannande mikroskop skulle behöva för att få bilder med jämförbara hastigheter. SCAPE uppnår allt detta genom en enda, stillastående objektiv, öppnar utrymme för ett brett spektrum av prover jämfört med konventionella ljusarkmikroskop som kräver komplexa provkammare omgiven av många linser.
"Folk är ofta förvånade över hur kompakt, enkel och lättanvänd SCAPE är, "sa Dr Hillman, som rutinmässigt driver SCAPE-system runt i bagageutrymmet på sin bil för att ge forskare praktiska demonstrationer.
Dr Hillmans team arbetar för att hjälpa forskare över hela världen att använda SCAPE för sin egen forskning, bjuda in forskare till sitt laboratorium vid Columbia's Zuckerman Institute, eller hjälpa dem att bygga sina egna system, tack vare bidrag från National Institutes of Health BRAIN Initiative. Dr Hillman arbetar också med Leica Microsystems, som har licensierat SCAPE och för närvarande utvecklar en kommersiell version av systemet.
Dr Hillman tillskriver stort intresse för SCAPE 2.0 till de senaste stora framstegen inom fluorescerande märkning, som låter forskare få specifika celler i ett djur att lysa olika färger, och kan till och med få celler att blinka på och av när de signalerar till varandra. Hon noterar också den växande effekten av små, nära genomskinliga djur som C. elegans maskar, zebrafiskembryon och fruktflugor som kan observeras under naturliga beteenden, eller modifieras för att sammanfatta mänskliga sjukdomar. SCAPE 2.0 är perfekt placerad för att fånga symfonin av cellulära händelser, rörelser och svar som spelar ut i dessa levande system.
"I vår nya tidning, vi visar hur SCAPE 2.0 kan spåra enskilda neuroner som skjuter i ett helt djur när det kryper runt, ger oss ett nytt fönster om hur neural aktivitet styr beteende, "sa Dr Hillman, som också är professor i biomedicinsk teknik vid Columbia Engineering.
Trots att inspireras av neurovetenskapens behov, Dr Hillman noterar att många av de ovannämnda märkningsmetoderna och djurmodellerna nu förändrar andra forskningsområden, låta forskare utforska hur cancerösa tumörceller signalerar till varandra, hur immunceller hittar sina mål eller hur hjärtat och kardiovaskulära systemet påverkas av läkemedel och sjukdomar.
"Det är verkligen spännande att se tekniker, stimuleras av BRAIN -initiativet, har allt större inverkan på vetenskap och medicin, säger Dr Hillman.
Att känna igen denna möjlighet, Dr Hillman samarbetade med barnkardiologen Kimara Targoff, MD, att sätta SCAPE 2.0 i arbete med att studera hur hjärtat utvecklas. Dr Targoffs laboratorium använder zebrafisk som en djurmodell för att dechiffrera de genetiska mutationerna som kan orsaka hjärtmissbildningar i embryot. Att förstå hur dessa mutationer leder till sjukdom kan informera behandlingar för barn som lever med medfödd hjärtsjukdom.
"Problemet med att avbilda det bankande hjärtat är att det slår snabbt, förändrar dess form när blodet strömmar genom det i en mängd olika riktningar, "säger Dr Targoff. som är biträdande professor i barnläkare vid Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons och medförfattare till dagens tidning." Med SCAPE 2.0, vi kan avbilda zebrafiskembryonas bankande hjärta i 3D och i realtid, så att vi kan se hur kalciumsignaler som skickas mellan hjärtceller får hjärtväggen att dra ihop sig, eller hur röda blodkroppar flödar genom hjärtats ventiler slår efter slag. Med hjälp av denna kunskap, vi kan spåra hur en viss genetisk mutation påverkar normal hjärtutveckling i en miljö som närmast sammanfattar hjärtats naturliga tillstånd. "
Lusten att följa en enda röd blodkropp när den färdas genom det bankande hjärtat var en drivkraft bakom att skjuta hastighetsgränserna för SCAPE 2.0.
För att nå dessa oöverträffade hastigheter, Dr Hillmans team arbetade nära Lambert Instruments, utnyttjar företagets supersnabba HiCAM Fluo-kamera. Denna kamera användes för att ta bilder med fler än 18, 000 bildrutor per sekund i zebrafiskembryonas bankande hjärta. Denna nya konfiguration öppnade dörren till inspelning av enskilda neuroner som skjuter i fritt rörliga C. elegans maskar, ger den första synen på ett djurs fullständiga nervsystem i aktion. SCAPE 2.0:s andra uppgraderingar inkluderar förbättrad ljuseffektivitet, ett större synfält och mycket förbättrad rumsupplösning.
SCAPE 2.0:s förbättrade upplösning gjorde det också möjligt för teamet att bildprover som skapats med hjälp av vävnadsklarning och vävnadsexpansion. Dessa metoder låter forskare se strukturer och anslutningar djupt inuti intakta prover, från hela mushjärnan till tumörer och mänskliga biopsier. Även om dessa prover inte lever, de är mycket stora och tar lång tid att ta bilder med hjälp av standardmikroskop. Dagens tidning visar att SCAPE 2.0 kunde avbilda dessa typer av prover med rekordhastigheter.
Dr Hillman och hennes team fortsätter att utveckla och förbättra SCAPE för att ytterligare utöka dess användbarhet, samtidigt som jag arbetar med en ständigt växande grupp medarbetare, från Zuckerman Institute neuroscientists till Columbia vulkanolog Einat Lev Ph.D., som använder SCAPE för att avbilda hur gasbubblor bildas under vulkanutbrott.
Dr Hillmans team utvecklar också en miniatyriserad version av SCAPE för medicinskt bruk, att snabbt skilja mellan friska och sjuka celler i en patients kropp, ge läkare ett nytt sätt att vägleda hur man utför komplexa operationer i operationssalen.
"Begränsningarna av verktyg och tekniker begränsar ofta vad forskare tror att de kan studera, "sa Dr Hillman, som också är professor i radiologi vid Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons. "SCAPE 2.0 öppnar upp ett nytt landskap av saker som vi kan se. Jag hoppas att våra nya resultat kommer att inspirera forskare att tänka på vilka nya frågor som kan ställas, och vilka nya vägar för vetenskaplig upptäckt vi kan utforska härnäst. "
Detta dokument har titeln "Realtids volymetrisk mikroskopi av in-vivo-dynamik och storskaliga prover med SCAPE 2.0."
