Cell:新型智能顯微鏡-在四維水平下觀察活鼠中的胚胎發育過程動態

摘要

這項研究讓我們在時間與空間的維度上,以前所未有的清晰度看清小鼠胚胎的發育過程。

早期我們利用單層光顯微技術看清了果蠅和斑馬魚得胚胎發育過程,通過一層超薄的激光對胚胎進行掃描,并將其還原成一個三維結構。但哺乳動物的胚胎發育過程就沒那么好觀察。以小鼠胚胎為例,哺乳動物小鼠胚胎并沒有如果蠅和斑馬魚的透明且尺寸小,它的組織透光度較低,細胞對光敏感,難以觀察;在發育的早期,小鼠胚胎的體積會猛增一個數量級,細胞的數量和位置會發生劇烈變化,難以追蹤;此外,體外觀察小鼠胚胎,也需要搭建一個無菌且營養充沛的環境,技術難度較大。因此,對于小鼠胚胎發育過程的動態追蹤,一直是個難題。

 

 

最近,這些問題都被霍華德·休斯醫學研究所的Katie McDole和Philipp Keller
等解決了。他們開發了一套自適應多視點單層光顯微系統,追蹤觀察了小鼠胚胎從原腸胚到早期器官形成的全過程。此研究發表在Cell上。

 

 

在這臺智能顯微鏡的中心,一種清晰的丙烯酸立方體結構容納著胚胎成像室。兩個片光(light sheet)照亮小鼠胚胎,兩個攝像頭記錄圖像。這些組件讓這些研究人員窺探曾經看不見的早期器官發育世界,以前所未見的高分辨率細節揭示動態事件。

 

這臺顯微鏡的頭部配備了一套跟蹤胚胎位置和大小的算法。這些算法繪制片光如何在樣品中移動,然后找出如何獲得最佳圖像的方法---保持小鼠胚胎聚焦在視野中并位于視野中間。

 

由于小鼠胚胎在不斷變化,這臺顯微鏡必須不斷適應,以毫秒為間隔,在數百個不同的時間點上對數百多張圖像做出決定。Keller說,“我不會說我們的顯微鏡比人類更聰明,但是它能夠完成人類操作員無法做到的事情。

 

利用這臺智能顯微鏡,Keller團隊如今能夠首次窺視活著的小鼠胚胎,觀察腸道開始形成,心臟細胞開始嘗試第一次跳動。在一個關鍵的48小時窗口,也就是初級器官開始形成的時間段里,他們能夠追蹤每個胚胎細胞并確定它們去向何處,它們開啟了哪些基因,以及它們在路上遇到了哪些細胞。

 

可以清楚地看到,最早的心臟細胞,由最初的新月形生心區、先一點點形成線狀心管、再逐漸開始彎曲、即將形成環狀的過程。

 

這項新的研究“實際上是整個小鼠的細胞分辨率建筑計劃”。他們正在制造這種智能顯微鏡和計算工具,并且所有成像數據都是免費和公開的。

 

參考資料:

McDole K, Guignard L, Amat F, et al. In Toto Imaging and Reconstruction of Post-Implantation Mouse Development at the Single-Cell Level[J]. Cell, 2018.

 

DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.09.031

 

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