En arsenal av avancerade mikroskopiverktyg finns nu tillgängliga för att ge högkvalitativ visualisering av celler och organismer i 3-D och har därmed underbyggt vår förståelse av de komplexa biologiska systemen och funktionerna.

I en ny tidning publicerad i Ljus:Vetenskap och tillämpningar , ett forskarlag ledd av University of Hong Kong (HKU) utvecklade en ny form av bildbehandlingsmodalitet, myntad kodad ljusarksmikroskopi (CLAM) som tillåter full 3-D parallelliserad fluorescensavbildning utan någon skanningsmekanism – en förmåga som annars är utmanande i de befintliga teknikerna.

Etablerade 3-D biologiska mikroskopitekniker, särskilt konfokal, multifotonmikroskopi, och light-sheet fluorescensmikroskopi (LSFM), förlitar sig huvudsakligen på laserskanning för bildtagning. Än, det kommer på bekostnad av bildhastigheten eftersom hela volymen måste skannas sekventiellt punkt för punkt, linje-för-linje eller plan-för-plan med en hastighet som begränsas av de mekaniska rörelserna som involverar bilddelarna.

Ännu värre, många seriella skanningsmetoder exciterar upprepade gånger ofokuserad fluorescens, och därmed påskynda fotoblekning och fotoskada. De är alltså inte gynnsamma för lång sikt, storskalig volymetrisk avbildning som är kritiskt nödvändig i så olika tillämpningar som anatomisk vetenskap, utvecklingsbiologi och neurovetenskap.

3D-parallellisering i CLAM kräver ännu mildare belysning för att uppnå en liknande nivå av bildkänslighet vid samma volymetriska bildhastighet. Därav, det minskar ytterligare fotoblekningshastigheten och därmed risken för fotoskador. Detta är en kritisk egenskap för att bevara det biologiska provets livsduglighet i långtidsövervakningsstudier.

Hjärtat i CLAM är konceptet med "oändlighetsspegeln" (dvs. ett par parallella speglar), som är vanligt inom bildkonst och dekoration, och har tidigare antagits av samma team för att möjliggöra ultrasnabb optofluidisk encellsavbildning. Här använde teamet "oändlighetsspegeln" tillsammans med enkel strålformning för att omvandla en enda laserstråle till en högdensitetsuppsättning av några tiotals ljusark för 3D parallelliserad fluorescensexcitation.

"En distinkt egenskap hos CLAM är dess förmåga att flexibelt omkonfigurera den rumsliga densiteten och tidsmässiga koherensen hos ljusarkmatrisen, helt enkelt genom att justera spegelgeometrin, såsom spegelseparation och lutningsvinkel, " förklarade Dr Yuxuan Ren, postdoktorn och verkets första författare.

"Denna förmåga har varit utmanande i de befintliga koherenta vågfrontsformningsmetoderna, ändå skulle kunna tillåta effektiv parallelliserad 3-D LSFM i spridd vävnadsavbildning med minimal artefakt av fläckar, " lade Ren till.

CLAM använder också koddelningsmultiplexering (CDM) (t.ex. ortogonal frekvensdelningsmultiplexering som demonstreras i detta arbete), en teknik som ofta används inom telekommunikation, att trycka fluorescenssignalen från varje bildplan med en unik kod. Som ett resultat, den möjliggör parallelliserad 3D-bildfångst med optisk sektionering genom att använda en 2D-bildsensor.

"CLAM har ingen grundläggande begränsning när det gäller att skala till högre volymhastighet eftersom kameratekniken ständigt utvecklas, "Dr Kevin Tsia, Docent vid institutionen för elektro- och elektronikteknik vid HKU och teamets ledande forskare påpekade.

"Också, CLAM kan anpassas till alla befintliga LSFM-system med minimal hårdvara eller mjukvara. Därför, den är lättillgänglig för spridning till det bredare samhället av LSFM och relaterade 3D-bildtekniker, tillade Tsia.