Forskare har använt fluorescensmikroskopi för att studera det inre arbetet hos biologiska celler och organismer i årtionden. Dock, många av dessa plattformar är ofta för långsamma för att följa den biologiska verkan i 3D; och alltför skadligt för de levande biologiska exemplaren med stark ljusbelysning.

För att hantera dessa utmaningar, ett forskargrupp ledd av Dr Kevin Tsia, Docent vid institutionen för elektro- och elektronikteknik och programchef för civilingenjör i biomedicinsk teknik vid University of Hong Kong (HKU), utvecklat en ny optisk bildbehandlingsteknik – kodad ljusarksmikroskopi (CLAM) – som kan utföra 3D-bildbehandling med hög hastighet, och är energieffektiv och tillräckligt skonsam för att bevara levande exemplar under skanning på en nivå som inte uppnås med befintlig teknik.

Denna avancerade bildteknik publicerades nyligen i Ljus:Vetenskap och applikationer . En amerikansk patentansökan har lämnats in för innovationen.

"CLAM tillåter 3D-fluorescensavbildning med hög bildhastighet jämförbar med toppmodern teknik (~10 volymer per sekund). Ännu viktigare, det är mycket mer energieffektivt, att vara över 1, 000 gånger skonsammare än standard 3D-mikroskop som ofta används i vetenskapliga laboratorier, vilket kraftigt minskar skadorna på levande exemplar under skanning, "förklarade Dr Tsia.

Befintliga 3-D biologiska mikroskopiplattformar är långsamma eftersom hela volymen av provet måste skannas sekventiellt och avbildas punkt för punkt, rad-för-linje eller plan-för-plan. I dessa plattformar, en enda 3D-ögonblicksbild kräver upprepad belysning på provet. Exemplaren är ofta upplysta med tusentals till miljoner gånger mer intensitet än solljus. Detta kommer sannolikt att skada själva provet, är därför inte gynnsamt för långsiktig biologisk avbildning för olika tillämpningar som anatomisk vetenskap, utvecklingsbiologi och neurovetenskap.

Dessutom, dessa plattformar tar ofta snabbt ut den begränsade fluorescens "budgeten"-en grundläggande begränsning att fluorescerande ljus bara kan genereras vid belysning under en begränsad period innan det permanent bleknar i en process som kallas "foto-blekning, " som sätter en gräns för hur många bildförvärv som kan utföras på ett prov.

"Upprepad belysning på provet accelererar inte bara fotoblekning, men genererar också överdrivet fluorescensljus som inte så småningom bildar den slutliga bilden. Därav, fluorescens-"budgeten" är till stor del bortkastad på dessa bildplattformar, "Dr Tsia tillade.

Hjärtat i CLAM förvandlar en enda laserstråle till en högdensitetsuppsättning av "ljusark" med hjälp av ett par parallella speglar, att spridas över ett stort område av provet som fluorescensexcitation.

"Bilden inom hela 3D-volymen fångas samtidigt (dvs parallelliserad), utan att behöva skanna provet punkt-för-punkt eller rad-för-rad eller plan-för-plan enligt andra tekniker. Sådan 3D-parallellisering i CLAM leder till en mycket skonsam och effektiv 3D-fluorescensavbildning utan att offra känslighet och hastighet, " som Dr. Yuxuan Ren påpekade, en postdoktor om arbetet. CLAM överträffar också de vanliga 3D-fluorescensavbildningsmetoderna för att minska effekten av fotoblekning.

För att bevara bildupplösningen och kvaliteten i CLAM, teamet vände sig till Code Division Multiplexing (CDM), en bildkodningsteknik som används i stor utsträckning inom telekommunikation för att skicka flera signaler samtidigt.

"Denna kodningsteknik tillåter oss att använda en 2-D-bildsensor för att fånga och digitalt rekonstruera alla bildstaplar i 3-D samtidigt. CDM har aldrig använts i 3-D-bildbehandling tidigare. Vi anammade tekniken, som blev en succé, "förklarade av Dr Queenie Lai, ytterligare en postdoktor som utvecklat systemet.

Som en proof-of-concept-demonstration, teamet använde CLAM för att fånga 3-D-videor av snabbt mikropartikelflöde i ett mikrofluidiskt chip med en volymhastighet på över 10 volymer per sekund, jämförbar med den senaste tekniken.

"CLAM har ingen grundläggande begränsning i bildhastighet. Den enda begränsningen är hastigheten på detektorn som används i systemet, dvs kameran för att ta ögonblicksbilder. När höghastighetskameratekniken ständigt utvecklas, CLAM kan alltid utmana sin gräns för att uppnå en ännu högre hastighet vid skanning, "markerad av Dr Jianglai Wu, den postdoktorala forskningen som initierade arbetet.

Teamet har tagit ett steg längre för att kombinera CLAM med HKU LKS Medicinska fakultetens nyutvecklade vävnadsrensningsteknologi för att utföra 3D-visualisering av musglomeruli och blodkärl i tarmen i hög bildhastighet.

"Vi förutser att denna kombinerade teknik kan utvidgas till storskalig 3-D histopatologisk undersökning av biologiska arkivprover, som att kartlägga den cellulära organisationen i hjärnan för neurovetenskaplig forskning." sa Dr. Tsia.

"Eftersom CLAM-avbildning är betydligt skonsammare än alla andra metoder, det gynnar på ett unikt sätt långsiktig och kontinuerlig "övervakning" av biologiska prover i deras levande form. Detta kan potentiellt påverka vår grundläggande förståelse i många aspekter av cellbiologi, t.ex. att kontinuerligt spåra hur ett djurembryo utvecklas till sin vuxna form; att i realtid övervaka hur cellerna/organismerna infekteras av bakterier eller virus; för att se hur cancercellerna dödas av droger, och andra utmanande uppgifter som inte kan uppnås av befintlig teknik idag, "Dr Tsia tillade.

CLAM kan anpassas till många nuvarande mikroskopsystem med minimal hård- eller mjukvaruändring. Att dra nytta av detta, teamet planerar att ytterligare uppgradera det nuvarande CLAM-systemet för forskning inom cellbiologi, djur- och växtutvecklingsbiologi.