新顯微鏡可追蹤胚胎發(fā)育單細胞分裂過程

從一個受精卵發(fā)育成多種功能的胚胎，細胞要經(jīng)過上千次分裂和復雜的排列重組。據(jù)物理學家組織網(wǎng)6月3日報道，霍華德·休斯醫(yī)學研究院珍妮莉婭法姆研究學院開發(fā)出一種的成像技術，能以的速度和度看到這一過程，讓人們能追蹤胚胎成形時每個細胞在幾天甚至幾小時內(nèi)的變化。相關論文發(fā)表在6月3日出版的《自然·方法學》Nature Methods上。

研究人員演示了一段約20小時的果蠅胚胎發(fā)育視頻。在視頻中，生物結構逐漸出現(xiàn)，從一小團簡單的細胞簇慢慢變長，變成上萬個細胞緊緊擠在一起的拉長的小胚胎，然后在新形成的肌肉收縮舒張下開始顫動，此時胚胎僅有半毫米長。此外，論文中還有一段果蠅胚胎中樞神經(jīng)系統(tǒng)完整的發(fā)育視頻，跟蹤了單個細胞發(fā)育出感覺器官、腦葉及其他結構的過程，由于分辨率足夠高，還能看到神經(jīng)軸突迅速變化。

發(fā)明該技術的珍妮莉婭法姆研究學院的菲利普·凱勒說，要理解一個單細胞怎樣變成了復雜的組織，真實看到這一過程非常重要。傳統(tǒng)光學顯微鏡速度太慢，無法跟蹤細胞在生命初期的迅速變化，也容易破壞一個活胚胎，只能通過把多階段、多組織的照片拼在一起，才能推測發(fā)生的變化，但“細胞分裂重組每次都不一樣，這種觀察方法可能會產(chǎn)生誤導”。

新技術基于一種高速非侵入式光學顯微鏡，稱為SiMView光層顯微鏡，能從4個角度同時拍攝圖像，不僅能跟蹤細胞運動，還能對發(fā)展過程進行數(shù)量分析。該顯微鏡由凱勒小組和德國的歐洲分子生物實驗室合作開發(fā)，攻克了傳統(tǒng)光學顯微鏡的兩個難題：一是光源對樣本造成的傷害，二是對海量數(shù)據(jù)進行處理分析。

大部分光源都會傷害細胞，使其中的熒光標記消失。研究小組設計的照明技術是一種激光掃描層，一次照射樣本極薄的一層以減少傷害，由探測儀記錄下被照亮的部分。光層來自兩個相反方向，并用兩個探測儀來探測熒光，照明與探測相結合，提供了4個不同的觀察角度。不僅能避免由于光散射而造成的模糊，還將圖像采集速度提高了50倍。

要讓照亮樣本和探測熒光在時間、位置上協(xié)調(diào)一致，時機吻合極為重要，光層交叉通過會造成圖像模糊，發(fā)光間隔僅幾毫秒。為了保持精度，SiMView還安裝了實時調(diào)節(jié)的電子系統(tǒng)。

顯微鏡每秒會收集350Mb的數(shù)據(jù)，一個樣本一天要產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，而不同條件或不同基因的發(fā)育對比實驗，所要求的數(shù)據(jù)比這還要多好多倍。為此，研究人員開發(fā)出一種新的計算方法，能識別并跟蹤顯微鏡視頻中單個細胞并自動分析。這些都構成了拍攝活樣本這一完整技術框架的必要組成部分。

凱勒表示，他們還將繼續(xù)改進顯微鏡使計算過程更加有效。今后不僅能追蹤胚胎中細胞的一代代世系，還可能控制發(fā)育以探索發(fā)育機制，并研究其他更大更復雜樣本的發(fā)育過程。