長時間高分辨類器官光片顯微鏡LS2助力細胞成像技術革新
近期，來自瑞士Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research研究所的P. Liberali組與Viventis公司工程師合作，使用長時間高分辨類器官光片顯微鏡-LS2在bioRxiv上在線發表了題為Open top multi sample dual view light sheet microscope for live imaging of large multicellular systems的文章。這篇文章對該技術的核心細節進行詳盡展示。
長時間高分辨類器官光片顯微鏡-LS2是由瑞士Viventis公司推出的一款全新光片成像平臺，可實現活細胞的長時間、高分辨、高通量、多樣品同時成像，非常適合對直徑達300μm的光敏樣品（如卵母細胞，胚胎和類器官）進行長期實時高時空分辨率和低光毒性的觀察與成像。該技術一經推出便已發布多篇Science/ Nature主刊 [1-5]。
長時間高分辨類器官光片顯微鏡-LS2是由瑞士Viventis公司推出的一款全新光片成像平臺，可實現活細胞的長時間、高分辨、高通量、多樣品同時成像，非常適合對直徑達300μm的光敏樣品（如卵母細胞，胚胎和類器官）進行長期實時高時空分辨率和低光毒性的觀察與成像。該技術一經推出便已發布多篇Science/ Nature主刊 [1-5]。
摘要：
多細胞系統會在數周內從單個細胞生長成為類器官、由數千個細胞組成完整組織，此類樣品的實時成像一直具有挑戰性。為了跨越這些長時間、空間尺度的難題，本文作者提出了一種開放式頂部雙側成像和雙側照明的光片顯微鏡，專門用于單細胞分辨率的發育過程中的大型樣本的實時成像。作者使用新開發的光片顯微鏡對多種樣品進行實時成像研究，結果突出顯示了其在大型標本(如成熟的腸道類器官等)中獲得定量單細胞信息的能力。
研究背景：
單個細胞發育成為復雜組織的動力學、可視化以及潛在分子機制的理解是細胞和發育生物學的首要目標。然而，這些復雜的生物現象往往跨越大的空間和時間生物學尺度，特別是類器官等體外模型系統，經常受到樣品間異質性的影響。設計用于此類系統實時成像的顯微鏡需要在每個實驗中提供高樣品通量才能得出結論，且需要為光散射較大的樣品提供足夠的空間和時間分辨率和高圖像質量，同時最大限度地減少光劑量并保持樣品上樣方便。目前，大多數的光片顯微鏡技術由于其低光毒性成為了克服上述一些挑戰的技術方案之一。但這些技術僅限于每次實驗僅對一個或極少數樣品進行成像，且這些系統缺乏從對側進行多視成像的可能性，不適合發育較大的樣本。
文章亮點：
本文展示了一種開放式、雙側成像和雙照明的長時間高分辨類器官光片顯微鏡-LS2。其結合了多視圖光片顯微鏡的優點，具有開放式幾何形狀和多孔樣品支架，可以對大型多細胞系統進行長期多位置3D實時成像。作者通過對小鼠腸道、肝臟和唾液腺類器官、類原腸胚、水螅和人結腸癌類器官的長期實時成像，展示了該系統在各種模型系統中實現高圖像質量的能力，其尺寸可達550 μm，記錄時間長達12天。此外，本文獲得了跨生物尺度的定量特征，并通過對腸道類器官和類原腸胚的跟蹤和分割提供了詳細的單細胞分析，這是新開發的Viventis長時間高分辨類器官光片顯微鏡-LS2才能實現的。
詳細數據：
本文展示的光片顯微鏡包含兩顆相對的照明物鏡(尼康10X, NA 0.2)，每顆從水平面略微向上傾斜，從兩個側面照亮樣品，兩顆相對的成像物鏡從兩個方向成像(尼康16X, NA 0.8， 該系統也兼容尼康25X, NA 1.1)(圖1)。這種幾何形狀在兩個照明物鏡上方創造了一個無阻礙的線性空間用于定制設計的多孔樣本池(圖1-2)，該樣本池包含多達四個可互換的樣品室陣列， 用于多位置成像。浸入介質被放置在一個儲層中，填充兩個水浸入檢測物鏡之間的空間。 為了獲得兩個相對的光片以盡可能大的角度照亮樣品,作者使用了超長工作距離的空氣物鏡， 通過玻璃窗將照明光耦合到浸入介質中，并設計了一個定制的校正三重透鏡來補償球面和色差。物鏡區域是具溫度控制的，樣品被封閉在一個控制CO2濃度的隔間中。額外的光束路徑是使用其中一個檢測物鏡作為聚光鏡來照亮樣品并獲取透射光圖像。為了以最佳方式安裝不同的生物樣品，作者在熱成型過程中開發了由氟乙烯丙烯(FEP)箔制成的可定制腔室。該腔室適合于兩顆檢測物鏡之間的6毫米空間區域，并允許從頂部加液、移液，滿足不同生物樣品的活細胞培養要求。
圖1 長時間高分辨類器官光片顯微鏡-LS2光路圖
圖2 長時間高分辨類器官光片顯微鏡-LS2物鏡及樣本池視圖
在作者之前的工作中，使用了本文所介紹的顯微鏡的前身，上一代技術的顯微鏡只構建了一個檢測物鏡來跟蹤發育中的腸道類器官中的細胞。 然而，所提供的成像深度不足以跟蹤較大標本中的細胞，包括成熟的類器官。新設計的雙成像物鏡、雙側照明方法克服了這一障礙。 作者使用細胞周期報告基因FUCCI2，在3天的時間過程中對成熟小鼠腸道類器官的隱窩和絨毛形成進行成像(圖2和視頻2)。 在隱窩和絨毛形成的背景下監測細胞周期狀態。 使用多位置成像，同時獲得了多個類器官的數據集。單細胞分辨率的雙色成像深度為360μm， 時間分辨率為10分鐘(視頻1)，以無與倫比的細節顯示發育中的小鼠腸道類器官的整體動力學。整個單細胞的可視化樣本量要求通過雙側成像實現高圖像質量。我們通過將單個檢測物鏡的XZ部分與融合數據進行比較來說明這一點(圖2)。 隨著成像深度的增加， 單個視圖的切片顯示出預期的退化，而融合的數據由兩個視圖的最佳質量組合組成，并且能夠在整個體積中繪制單個細胞(視頻2)。這種策略對于整個樣本的3D成像是十分必要的。
為了進一步評估使用兩個相對的成像物鏡對圖像質量的改善，作者通過計算兩個物鏡的每個z截面的離散余弦變換DCT來比較圖像質量隨成像深度的增加。例如，對腸道和人類結腸癌類器官進行了比較(圖3)。兩種模型系統都顯示，隨著成像深度和距離檢測物鏡的距離增加，圖像質量明顯下降，這可以通過組合來自兩個相反物鏡的數據來補償。綜上所述，雙重檢測物鏡對于保證大樣本的高圖像質量的重要性。
圖3 腸道和人類結腸癌類器官成像及單細胞分析
為了說明新發布系統的高性能，作者對尺寸從200μm到550μm的多種樣品進行了成像，并進行了長達12天的連續成像：小鼠肝類器官，人類結腸癌類器官，小鼠腮腺唾液腺類器官，和類原腸胚。此外，新發布系統的樣品安裝策略不僅支持各種不同標本的開發，而且可以進行平行化學擾動的實驗。在相同的成像實驗中，四個腔室中的每一個都可以用于特定的條件，每個腔室內有許多單獨的位置成像。我們分析了PGE、Forskolin和NaCl誘導的高滲休克對腸道類器官的機械滲透作用。3分鐘的高時間分辨率(視頻3)顯示了對各自治療的快速類器官膨脹和收縮。
此外，為了證明新發布顯微鏡的多定位能力，作者以10分鐘的時間分辨率對25個成熟的腸道類器官進行了平行成像，每個類器官的體積為360μm(視頻4)。
總結：
本文作者提出并發布了一種雙側成像、 雙側照明的光片顯微鏡，適用于單細胞分辨率下對多種大型生物模型系統(如腸道類器官等)進行長期多位置成像，質量適合于整個類器官的細胞分割和細胞跟蹤。特殊的物鏡配置使得使用多孔樣品池可以同時監測多個實驗條件。通過采用熱成型工藝制造各種形狀的樣品池實現了樣品特定和靈活的上樣。未來，具有這種物鏡配置和樣本池配置的光片顯微鏡將進一步成為技術進步的有前途的平臺。
參考文獻：
[1] Naganathan et al., Left-right symmetry of zebrafish embryos requires somite surface tension. Nature
[2] So et al., Mechanism of spindle pole organization and instability in human oocytes. Science
[3] He et al., Lineage recording in human cerebral organoids. Nature Methods
[4] Serra et al., Self-organization and symmetry breaking in intestinal organoids development. Nature
[5] Dumortier et al., Fracking and Ostwald ripening position the lumen of the mouse blastocyst. Science
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長時間高分辨類器官光片顯微鏡-LS2
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參考文獻：
[1] Naganathan et al., Left-right symmetry of zebrafish embryos requires somite surface tension. Nature
[2] So et al., Mechanism of spindle pole organization and instability in human oocytes. Science
[3] He et al., Lineage recording in human cerebral organoids. Nature Methods
[4] Serra et al., Self-organization and symmetry breaking in intestinal organoids development. Nature
[5] Dumortier et al., Fracking and Ostwald ripening position the lumen of the mouse blastocyst. Science
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