Cell:新型智能显微镜-在四维水平下观察活鼠中的胚胎发育过程动态

摘要

这项研究让我们在时间与空间的维度上,以前所未有的清晰度看清小鼠胚胎的发育过程。

早期我们利用单层光显微技术看清了果蝇和斑马鱼得胚胎发育过程,通过一层超薄的激光对胚胎进行扫描,并将其还原成一个三维结构。但哺乳动物的胚胎发育过程就没那么好观察。以小鼠胚胎为例,哺乳动物小鼠胚胎并没有如果蝇和斑马鱼的透明且尺寸小,它的组织透光度较低,细胞对光敏感,难以观察;在发育的早期,小鼠胚胎的体积会猛增一个数量级,细胞的数量和位置会发生剧烈变化,难以追踪;此外,体外观察小鼠胚胎,也需要搭建一个无菌且营养充沛的环境,技术难度较大。因此,对于小鼠胚胎发育过程的动态追踪,一直是个难题。

 

 

最近,这些问题都被霍华德·休斯医学研究所的Katie McDole和Philipp Keller
等解决了。他们开发了一套自适应多视点单层光显微系统,追踪观察了小鼠胚胎从原肠胚到早期器官形成的全过程。此研究发表在Cell上。

 

 

在这台智能显微镜的中心,一种清晰的丙烯酸立方体结构容纳着胚胎成像室。两个片光(light sheet)照亮小鼠胚胎,两个摄像头记录图像。这些组件让这些研究人员窥探曾经看不见的早期器官发育世界,以前所未见的高分辨率细节揭示动态事件。

 

这台显微镜的头部配备了一套跟踪胚胎位置和大小的算法。这些算法绘制片光如何在样品中移动,然后找出如何获得最佳图像的方法---保持小鼠胚胎聚焦在视野中并位于视野中间。

 

由于小鼠胚胎在不断变化,这台显微镜必须不断适应,以毫秒为间隔,在数百个不同的时间点上对数百多张图像做出决定。Keller说,“我不会说我们的显微镜比人类更聪明,但是它能够完成人类操作员无法做到的事情。

 

利用这台智能显微镜,Keller团队如今能够首次窥视活着的小鼠胚胎,观察肠道开始形成,心脏细胞开始尝试第一次跳动。在一个关键的48小时窗口,也就是初级器官开始形成的时间段里,他们能够追踪每个胚胎细胞并确定它们去向何处,它们开启了哪些基因,以及它们在路上遇到了哪些细胞。

 

可以清楚地看到,最早的心脏细胞,由最初的新月形生心区、先一点点形成线状心管、再逐渐开始弯曲、即将形成环状的过程。

 

这项新的研究“实际上是整个小鼠的细胞分辨率建筑计划”。他们正在制造这种智能显微镜和计算工具,并且所有成像数据都是免费和公开的。

 

参考资料:

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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