新顯微鏡可追蹤胚胎發(fā)育單細(xì)胞分裂過程

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

研究人員演示了一段約20小時(shí)的果蠅胚胎發(fā)育視頻。在視頻中，生物結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)，從一小團(tuán)簡(jiǎn)單的細(xì)胞簇慢慢變長(zhǎng)，變成上萬個(gè)細(xì)胞緊緊擠在一起的拉長(zhǎng)的小胚胎，然后在新形成的肌肉收縮舒張下開始顫動(dòng)，此時(shí)胚胎僅有半毫米長(zhǎng)。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(gè)細(xì)胞發(fā)育出感覺器官、腦葉及其他結(jié)構(gòu)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(shù)的珍妮莉婭法姆研究學(xué)院的菲利普·凱勒說，要理解一個(gè)單細(xì)胞怎樣變成了復(fù)雜的組織，真實(shí)看到這一過程非常重要。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡速度太慢，無法跟蹤細(xì)胞在生命初期的迅速變化，也容易破壞一個(gè)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(cè)發(fā)生的變化，但“細(xì)胞分裂重組每次都不一樣，這種觀察方法可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)”。

新技術(shù)基于一種高速非侵入式光學(xué)顯微鏡，稱為SiMView光層顯微鏡，能從4個(gè)角度同時(shí)拍攝圖像，不僅能跟蹤細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，還能對(duì)發(fā)展過程進(jìn)行數(shù)量分析。該顯微鏡由凱勒小組和德國(guó)的歐洲分子生物實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)，攻克了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的兩個(gè)難題：一是光源對(duì)樣本造成的傷害，二是對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

大部分光源都會(huì)傷害細(xì)胞，使其中的熒光標(biāo)記消失。研究小組設(shè)計(jì)的照明技術(shù)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(cè)儀記錄下被照亮的部分。光層來自兩個(gè)相反方向，并用兩個(gè)探測(cè)儀來探測(cè)熒光，照明與探測(cè)相結(jié)合，提供了4個(gè)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(cè)熒光在時(shí)間、位置上協(xié)調(diào)一致，時(shí)機(jī)吻合極為重要，光層交叉通過會(huì)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(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的電子系統(tǒng)。

顯微鏡每秒會(huì)收集350Mb的數(shù)據(jù)，一個(gè)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(jì)算方法，能識(shí)別并跟蹤顯微鏡視頻中單個(gè)細(xì)胞并自動(dòng)分析。這些都構(gòu)成了拍攝活樣本這一完整技術(shù)框架的必要組成部分。

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