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新显微镜可追踪胚胎发育单细胞分裂过程

2012-06-08电子资讯
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核心提示:一种高速非侵入式光学显微镜技术,称为SiMView光层显微镜,能从4个角度同时拍摄图像,不仅能跟踪细胞运动,还能对发展过程进行数量分析。

  从一个受精卵发育成多种功能的胚胎,细胞要经过上千次分裂和复杂的排列重组。据物理学家组织网6月3日报道,霍华德·休斯医学研究院珍妮莉娅法姆研究学院开发出一种最新的成像技术,能以前所未有的速度和精确度看到这一过程,让人们能追踪胚胎成形时每个细胞在几天甚至几小时内的变化。相关论文发表在6月3日出版的《自然·方法学》Nature Methods上。

  研究人员演示了一段约20小时的果蝇胚胎发育视频。在视频中,生物结构逐渐出现,从一小团简单的细胞簇慢慢变长,变成上万个细胞紧紧挤在一起的拉长的小胚胎,然后在新形成的肌肉收缩舒张下开始颤动,此时胚胎仅有半毫米长。此外,论文中还有一段果蝇胚胎中枢神经系统完整的发育视频,跟踪了单个细胞发育出感觉器官、脑叶及其他结构的过程,由于分辨率足够高,还能看到神经轴突尖端迅速变化。

  发明该技术的珍妮莉娅法姆研究学院的菲利普·凯勒说,要理解一个单细胞怎样变成了复杂的组织,真实看到这一过程非常重要。传统光学显微镜速度太慢,无法跟踪细胞在生命初期的迅速变化,也容易破坏一个活胚胎,只能通过把多阶段、多组织的照片拼在一起,才能推测发生的变化,但“细胞分裂重组每次都不一样,这种观察方法可能会产生误导”。

  新技术基于一种高速非侵入式光学显微镜,称为SiMView光层显微镜,能从4个角度同时拍摄图像,不仅能跟踪细胞运动,还能对发展过程进行数量分析。该显微镜由凯勒小组和德国的欧洲分子生物实验室合作开发,攻克了传统光学显微镜的两个难题:一是光源对样本造成的伤害,二是对海量数据进行处理分析。

  大部分光源都会伤害细胞,使其中的荧光标记消失。研究小组设计的照明技术是一种激光扫描层,一次照射样本极薄的一层以减少伤害,由探测仪记录下被照亮的部分。光层来自两个相反方向,并用两个探测仪来探测荧光,照明与探测相结合,提供了4个不同的观察角度。不仅能避免由于光散射而造成的模糊,还将图像采集速度提高了50倍。

  要让照亮样本和探测荧光在时间、位置上协调一致,时机吻合极为重要,光层交叉通过会造成图像模糊,发光间隔仅几毫秒。为了保持精度,SiMView还安装了实时调节的电子系统。

  显微镜每秒会收集350Mb的数据,一个样本一天要产生海量数据,而不同条件或不同基因的发育对比实验,所要求的数据比这还要多好多倍。为此,研究人员开发出一种新的计算方法,能识别并跟踪显微镜视频中单个细胞并自动分析。这些都构成了拍摄活样本这一完整技术框架的必要组成部分。

  凯勒表示,他们还将继续改进显微镜使计算过程更加有效。今后不仅能追踪胚胎中细胞的一代代世系,还可能控制发育以探索发育机制,并研究其他更大更复杂样本的发育过程。

(责任编辑:李一千)

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