Cell Rep Met | 高速多通道活體成像技術(shù)SHy-Cam

原創(chuàng)?圖靈基因?圖靈基因?2023-04-10 11:52?發(fā)表于江蘇

收錄于合集#前沿分子生物學(xué)技術(shù)

一項(xiàng)新技術(shù)提供了一種實(shí)時(shí)收集和組織有關(guān)有機(jī)組織的高度詳細(xì)信息的方法∠ィ《Nature Methods》和《Cell Reports Methods》上發(fā)表的兩篇論文詳細(xì)介紹了這種方法缚陷，它使用一種算法來(lái)提高組織發(fā)出的信號(hào)的質(zhì)量席楚，分離并捕獲它們蚁孔。這些方法有朝一日可以用于癌癥治療中的快速組織活檢，或在食品加工廠中檢測(cè)細(xì)菌矩屁。

南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院研究助理教授Francesco Cutrale博士指出纪隙，這項(xiàng)新技術(shù)可以與流媒體服務(wù)提供不同級(jí)別的壓縮相媲美，以確保無(wú)論用戶的互聯(lián)網(wǎng)連接如何碗硬，他們的視頻都是一致的瓤湘。

他說(shuō)：“根據(jù)你的連接速度，流媒體會(huì)以不同的壓縮級(jí)別發(fā)送視頻恩尾，然后根據(jù)你的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化重組弛说。我們正在做類似的事情：我們將非常龐大、非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到一個(gè)壓縮空間翰意。然后木人，我們可以將通過(guò)相似性關(guān)聯(lián)的非常大的數(shù)據(jù)集視為一個(gè)巨大的直方圖，并在創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間內(nèi)以非常高的靈敏度分析這些數(shù)據(jù)冀偶⌒训冢”

今年早些時(shí)候在《Nature Methods》中詳細(xì)介紹的算法繼續(xù)改進(jìn)了利用熒光的高含量成像方法。然而进鸠，這些新的技術(shù)并不適用于活體或體內(nèi)樣本的成像稠曼。

研究人員展示了這項(xiàng)名為“Hybrid Unmixing”的技術(shù)如何能夠用于清潔高效地分析活體有機(jī)組織。該技術(shù)使用線性分解堤如，一種分析樣本中被稱為熒光團(tuán)的化合物標(biāo)記的不同成分的方法蒲列。然后窒朋，他們使用高光譜相量器將這些成分可視化，這種相量器使用整個(gè)色譜蝗岖，而不僅僅是紅色侥猩、藍(lán)色和綠色。在此過(guò)程中抵赢，即使在低照明下欺劳，Hybrid Unmixing也可以同時(shí)對(duì)有機(jī)組織內(nèi)的明亮和昏暗的標(biāo)記成分進(jìn)行成像。

該技術(shù)允許同時(shí)分析這些標(biāo)記成分的細(xì)胞行為和細(xì)胞代謝铅鲤，將為生物系統(tǒng)的復(fù)雜性提供更準(zhǔn)確的見(jiàn)解划提。

Cutrale說(shuō)：“研究領(lǐng)域正在推動(dòng)對(duì)復(fù)雜生物系統(tǒng)的理解。雖然研究人員通常一次只檢查兩到三個(gè)標(biāo)記邢享，但事實(shí)是鹏往，細(xì)胞內(nèi)相互作用的因素不僅僅是幾個(gè)。挑戰(zhàn)在于骇塘，這些信號(hào)往往看起來(lái)非常相似伊履，很難區(qū)分。在我們的論文中款违，我們成功地識(shí)別并分離了多達(dá)14種不同的信號(hào)唐瀑。這一突破將使研究人員對(duì)細(xì)胞和生物系統(tǒng)內(nèi)的活動(dòng)有更全面的了解〔宓”

Cutrale說(shuō)哄辣，從行業(yè)的角度來(lái)看，該算法為許多應(yīng)用程序奠定了基礎(chǔ)赠尾。他說(shuō)：“我們?cè)谏茖W(xué)領(lǐng)域工作力穗，但很容易想象在評(píng)估水果質(zhì)量、農(nóng)藥殘留或如何優(yōu)化許多其他領(lǐng)域的生產(chǎn)方面的大量應(yīng)用萍虽【龋”

最近發(fā)表在《Cell Reports Methods》上的一篇題為“A single-shot hyperspectral phasor camera for fast, multi-color fluorescence microscopy”的后續(xù)論文，描述了用于捕捉這類信息的硬件——SHy-Cam（Single-shot Hyperspectral Phasor Camera）杉编。典型的利用熒光的組織成像技術(shù)利用光譜上的顏色通道來(lái)補(bǔ)償標(biāo)記之間的重疊。這種技術(shù)降低了成像速度咆霜，如果過(guò)度曝光邓馒，最終會(huì)損壞樣品。

有了SHy-Cam蛾坯，研究人員能夠在一臺(tái)可以使用現(xiàn)有光學(xué)元件構(gòu)建的相機(jī)中使用新算法快速高效地獲取光譜信息光酣。本文描述的新設(shè)備每秒能夠獲取30個(gè)數(shù)據(jù)集，光子效率超過(guò)80%脉课。研究人員說(shuō)救军，這使得它成為多色活體成像的強(qiáng)大工具财异。

Cutrale說(shuō)：“如何用二維傳感器生成二維圖像？你可以拍照唱遭。我們面臨的挑戰(zhàn)是如何用2D傳感器捕獲3D數(shù)據(jù)集戳寸。一個(gè)典型的顏色傳感器獲取紅色、藍(lán)色和綠色三種顏色拷泽，或者通過(guò)灰度傳感器接收所有信息疫鹊。”

“在我們的案例中司致，我們需要請(qǐng)求42個(gè)通道的信息拆吆，這些信息既不常見(jiàn)，也不高效脂矫。在本文中枣耀，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的方法，可以通過(guò)單個(gè)圖像獲得光譜信息的編碼版本庭再±剔龋”

Cutrale說(shuō)他們是通過(guò)利用光來(lái)做到這一點(diǎn)的。該團(tuán)隊(duì)利用光來(lái)轉(zhuǎn)換信息佩微，并在將其壓縮到傳感器上之前使用它來(lái)進(jìn)行計(jì)算缝彬。在使用這種方法時(shí)，該團(tuán)隊(duì)展示了它如何接收?qǐng)D像的整個(gè)光譜和尺寸哺眯。

他說(shuō)：“我們已經(jīng)捕捉到了圖像的X軸和Y軸——它的高度和寬度——以及波長(zhǎng)軸上的光譜信息谷浅，所有這些都是用標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)在一張圖像中捕捉到的。這是一種非常強(qiáng)大的方法奶卓。我們?cè)谶@種硬件方法中獲得了效率一疯，在某些情況下比現(xiàn)有儀器快8倍。換句話說(shuō)夺姑，以這種壓縮的方式到達(dá)相機(jī)傳感器的光是現(xiàn)有儀器的8倍墩邀。”