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業界 | 智能顯微鏡帶領人類觀看動物細胞演化大戲

大數據文摘出品

編譯:DonFJ、蔣寶尚

這還是第一次!

研究人員們可以直接觀察小鼠的胚胎,觀察腸道的形成,看到心髒細胞的第一次跳動。

甚至,在關鍵的48小時視窗中,當原始稚嫩的器官開始生長成型的時候,科學家們能夠追蹤每一個胚胎細胞,確定它的去向和變化,看看它打開了什麽基因的鎖頭,以及它在此期間遇到了什麽細胞。

“其實,這項新工作是整個老鼠的細胞分辨率構建計劃”,來自美國維吉尼亞阿什本Howard Hughes Medical 研究院Janelia Research 校區的物理學家和生物學家Philipp Keller如是說。

他和他的小夥伴們在2018年10月11日的《Cell》雜誌上發表了這項研究成果。他們研究中用到的顯微鏡和計算工具都是在Janelia校區製作的,而且現在所有研究中的影像數據都已經免費公開啦~

“對於從事培養和再生器官的科學家,還有那些想研究在子宮中修複胎兒發育問題的研究人員來說,這些資源都是十分重要的”,Janelia校區的發展生物學家Kate McDole如是說,他也是這項研究的成員。“在進行這些研究之前,你得了解器官是怎麽形成的”,她說,“你需要真正的看到在子宮裡發生了什麽”。

深入觀察

迄今為止,活體胚胎的最佳觀察對象還是魚類和蒼蠅。十年前,Keller和同事們研製出了第一個斑馬魚的“電子胚胎”。斑馬魚是一種透明的條狀的小魚,常常被科學家們拿來實驗。

科學家們用電子顯微鏡掃描魚的胚胎,用超薄光片逐段照射樣本。Keller還編程來處理每一段影像數據。這樣的成果是能夠給出一個對魚類前24小時研究的高分辨率的影像數據。

Keller和同事們繼續他們的研究,他們的電子蒼蠅胚胎工作發表在2014年的Nature Method雜誌上。“這些動物的影像相對來說比較簡單,”Keller說,“特別是斑馬魚”。“它們是透明的,而且對於光線不敏感,這使得它們比較適合用顯微鏡來觀察”。

觀察老鼠的研究就是另一碼事兒了。想讓老鼠的胚胎在實驗室環境下生存,哪怕就是一小段時間,也需要繁多無比的條件。首先,胚胎必須要無菌;還得浸泡在營養液中;溫度和空氣等級都必須要精確嚴格的控制。此外,細胞對光線特別的敏感,各種組織可能是密集而不透明的。胚胎在用顯微鏡觀察的時候還沒法固定住,“它只能在一點上固定住,跟個氣球一樣飄來飄球。 ”McDole這樣形容。

最後,研究人員如果想在受精後6.5天到8.5天進行觀察工作的話,胚胎每天都會變化一個量級——長大大概3毫米直徑。對於顯微鏡來說,胚胎就跟一個移動靶一樣,位置和大小一直都在變化。就算是讓一個專職人員天天吃住在實驗室,連續兩天每隔五分鐘調整顯微鏡的焦距,也無法捕捉到整個胚胎的清晰影像。

所以他們團隊選擇了一條更科學的路,他們設計了一台智能顯微鏡。

智能顯微鏡

在Janelia顯微鏡的中心,一個清晰的丙烯酸立方體中就是胚胎成像室。兩個補光板照射著胚胎,然後兩個相機負責拍照。這些設備能夠讓研究者見到早期器官發育的未知世界,用高精度的相機來揭示這一從未被人類見過的世界中的動態與細節。

當前腸形成的時候,團隊能夠看到“這不是一個緩慢的溫柔的過程”,McDole說,“它整體就像是有什麽東西在挖一樣,然後形成一個巨大的洞”。然後神經管,這個最終回形成大腦和脊髓的結構,像一個拉鏈一樣編織在一起,伸展在胚胎上。

智能顯微鏡上裝配了一套算法來追蹤胚胎的位置和大小。這些算法控制著補光板怎麽移動,然後告訴相機怎麽拍出最好的照片來讓胚胎處於圖片的中心。

由於胚胎一只在變化,顯微鏡必須也跟著一直調整。它需要在毫秒之間做出決策, 來為上百張圖片在上百個時間點上進行服務。“這並不是說我們的顯微鏡就比人聰明”,Keller說,“但是它確實能做一些人做不了的事情”。

新工具

對於每個實驗的胚胎來說,研究人員都收集了將近百萬張圖片。然後他們還開發了一套計算工具來將每一個胚胎細胞發育的過程拚接在一起。第一步是跟蹤每個細胞48小時的影像數據。這個工作使用的是團隊以前給斑馬魚和蒼蠅胚胎細胞用的一套細胞跟蹤程式。在將其和團隊新研發的“統計矢量流(statical vector flow)”融合之後,研究人員就能夠知道那個“八天半歲數”的胚胎的細胞是從哪兒來的了。項目成員Léo Guignard如上告訴我們。Léo Guignard是Janelia的一位電腦科學家,他說這就像為每一個細胞繪製了發展和命運的脈絡圖一樣。

Keller說,如果沒有這些電腦程式的話,這些工作可能要耗費一個人兩到三年的功夫來持續跟蹤每個細胞。

當胚胎發育成多層結合和早期器官的時候,一系列的工具讓團隊能夠有血有肉的知道原腸胚是如何形成的。Janelia的合作者Andrew Berger、Srinivas Turaga和Kristin Branson搭建了一個細胞分裂檢測器,它能自動記錄細胞分裂的時間和地點。Guignard通過將四個胚胎在時間和太空上對齊,從而編程模擬了一個虛擬的“平均”老鼠胚胎。(如果哪個醫生用過的話可能知道這個程式的名字,叫TARDIS,嗯,好像沒人知道,好尷尬,沒事兒,你看,好像有個虛擬時空中的醫生點了點頭)

這個新顯微鏡是Keller團隊在Janelia研究的第八年中產出的第六代產物。每代的產物都有新的改進的軟體工具。在很多情況下,Keller說,這些顯微鏡“能夠實現基本新型的影像實驗”,比如說觀察老鼠胚胎細胞的整體演化過程。

他們最新的研究正在嘗試回答生物學界的一個根本問題,Keller說:“你是怎麽從一個單細胞變成一個胚胎的”。

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https://www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181011143110.htm

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