Het Columbia-team achter de revolutionaire 3D SCAPE-microscoop kondigt vandaag een nieuwe versie van deze high-speed beeldtechnologie aan. In samenwerking met wetenschappers van over de hele wereld, ze gebruikten SCAPE 2.0 om voorheen onzichtbare details van levende wezens te onthullen - van neuronen die in een kronkelende worm vuren tot de 3D-dynamiek van het kloppende hart van een vissenembryo, met een veel superieure resolutie en met snelheden tot 30 keer sneller dan hun oorspronkelijke demonstratie.

Deze verbeteringen aan SCAPE, vandaag gepubliceerd in Natuurmethoden , beloven impact te hebben op gebieden die zo breed zijn als genetica, cardiologie en neurowetenschappen.

Waarom is het hebben van snellere, 3D-beeldvorming zo waardevol? "De processen die levende wezens aandrijven zijn dynamisch en veranderen voortdurend, van de manier waarop de cellen van een dier met elkaar communiceren, hoe een wezen beweegt en van vorm verandert, " zei Elizabeth Hillman, doctoraat, een hoofdonderzoeker bij het Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute van Columbia en de senior auteur van het artikel. "Hoe sneller we ons kunnen voorstellen, hoe meer van deze processen we kunnen zien - en snelle beeldvorming in 3D laat ons het hele biologische systeem zien, in plaats van slechts een enkel vliegtuig, biedt een duidelijk voordeel ten opzichte van traditionele microscopen."

Toen het team van Dr. Hillman vier jaar geleden voor het eerst SCAPE (swept confocaal uitgelijnde planaire excitatie) microscopie introduceerde, hun aanpak daagde veronderstellingen uit over hoe je met hoge snelheden een beeld van levende weefsels kunt creëren.

"De meeste microscopen die levende monsters in beeld brengen, scannen een klein stukje laserlicht rond het monster, maar de puntscanbenadering is traag, het geven van slechts een korte tijd om elke plek te zien, " zei Venkatakaushik Voleti, doctoraat, de eerste auteur van het artikel die SCAPE 2.0 ontwikkelde als een promovendus in het laboratorium van Dr. Hillman. "Ons systeem maakt gebruik van een schuine, of schuin, lichtblad om een ​​heel vlak in het monster te verlichten, en veegt vervolgens dit lichtvel over het monster om een ​​3D-beeld te vormen."

Hoewel het in beeld brengen van monsters met behulp van lichtbundels meer dan 100 jaar oud is, De vindingrijkheid van SCAPE ligt in de manier waarop het de lichte plaat snel beweegt en het beeld van deze plaat terug focust naar een stilstaande camera met behulp van een enkele bewegende spiegel, waardoor het razendsnel en verrassend eenvoudig is. In aanvulling, SCAPE is zacht voor levende monsters omdat het slechts een fractie van het licht gebruikt dat point-scanning microscopen nodig zouden hebben om met vergelijkbare snelheden beelden te krijgen. SCAPE bereikt dit alles door een enkele, stationaire objectieve lens, het openen van ruimte voor een breed scala aan monsters in vergelijking met conventionele light-sheet microscopen die complexe monsterkamers vereisen omringd door veel lenzen.

"Mensen zijn vaak verbaasd over hoe compact, eenvoudig en gemakkelijk te gebruiken SCAPE is, " zei Dr. Hillman, die routinematig met SCAPE-systemen rondrijdt in de kofferbak van haar auto om onderzoekers hands-on demonstraties te geven.

Het team van Dr. Hillman helpt wetenschappers over de hele wereld SCAPE te gebruiken voor hun eigen onderzoek, wetenschappers uitnodigen in haar lab aan het Columbia's Zuckerman Institute, of hen helpen hun eigen systemen te bouwen, dankzij subsidiesteun van het National Institutes of Health BRAIN Initiative. Dr. Hillman werkt ook samen met Leica Microsystems, die een licentie hebben voor SCAPE en momenteel een commerciële versie van het systeem ontwikkelen.

Dr. Hillman schrijft de brede interesse in SCAPE 2.0 toe aan recente grote vorderingen op het gebied van fluorescerende labeling, waarmee wetenschappers specifieke cellen in een dier verschillende kleuren kunnen laten gloeien, en kan zelfs cellen aan en uit laten flitsen wanneer ze naar elkaar signaleren. Ze merkt ook de groeiende impact van kleine, bijna transparante dieren zoals C. elegans wormen, zebravisembryo's en fruitvliegjes die kunnen worden waargenomen tijdens natuurlijk gedrag, of worden aangepast om menselijke ziekten te recapituleren. SCAPE 2.0 is perfect gepositioneerd om de symfonie van cellulaire gebeurtenissen vast te leggen, bewegingen en reacties die zich afspelen in deze levende systemen.

"In onze nieuwe krant we laten zien hoe SCAPE 2.0 individuele neuronen kan volgen die in een heel dier vuren terwijl het rondkruipt, geeft ons een nieuw inzicht in hoe neurale activiteit gedrag stuurt, " zei Dr. Hillman, die ook hoogleraar biomedische technologie is aan Columbia Engineering.

Ondanks dat ze geïnspireerd zijn door neurowetenschappelijke behoeften, Dr. Hillman merkt op dat veel van de bovengenoemde etiketteringsmethoden en diermodellen nu andere onderzoeksgebieden transformeren, wetenschappers laten onderzoeken hoe kankertumorcellen naar elkaar signaleren, hoe immuuncellen hun doelwit vinden of hoe het hart en het cardiovasculaire systeem worden beïnvloed door medicijnen en ziekten.

"Het is echt spannend om technieken te zien, gestimuleerd door het BRAIN-initiatief, steeds grotere gevolgen hebben voor wetenschap en geneeskunde", zei Dr. Hillman.

Deze kans erkennend, Dr. Hillman werkte samen met kindercardioloog Kimara Targoff, MD, om SCAPE 2.0 aan het werk te zetten bij het bestuderen van hoe het hart zich ontwikkelt. Het laboratorium van Dr. Targoff gebruikt de zebravis als diermodel om de genetische mutaties te ontcijferen die hartafwijkingen in het embryo kunnen veroorzaken. Begrijpen hoe deze mutaties tot ziekte leiden, kan informatie verstrekken over behandelingen voor kinderen met een aangeboren hartaandoening.

"Het probleem met het in beeld brengen van het kloppende hart is dat het snel klopt, verandert van vorm terwijl het bloed er in allerlei richtingen doorheen stroomt, " zei Dr. Targoff, een assistent-professor kindergeneeskunde aan het Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons en een co-auteur van het artikel van vandaag. "Met SCAPE 2.0, we kunnen het kloppende hart van het zebravisembryo in 3D en in realtime in beeld brengen, waardoor we kunnen zien hoe calciumsignalen tussen hartcellen ervoor zorgen dat de hartwand samentrekt, of hoe rode bloedcellen kloppen na slag door de hartkleppen stromen. Met behulp van deze kennis, we kunnen volgen hoe een bepaalde genetische mutatie de normale ontwikkeling van het hart beïnvloedt in een omgeving die de natuurlijke staat van het hart het dichtst benadert."

De wens om een ​​enkele rode bloedcel te volgen terwijl deze door het kloppende hart reist, was een drijvende kracht achter het verleggen van de snelheidslimieten van SCAPE 2.0.

Om deze ongekende snelheden te bereiken, Het team van Dr. Hillman werkte nauw samen met Lambert Instruments, gebruikmakend van de ultrasnelle HiCAM Fluo-camera van het bedrijf. Deze camera werd gebruikt om beelden vast te leggen op meer dan 18, 000 frames per seconde in het kloppende hart van het zebravisembryo. Deze nieuwe configuratie opende de deur voor het opnemen van individuele neuronen die vuren in vrij bewegende C. elegans-wormen, het eerste beeld geven van het volledige zenuwstelsel van een dier in actie. Andere upgrades van SCAPE 2.0 zijn onder meer verbeterde lichtefficiëntie, een groter gezichtsveld en een sterk verbeterde ruimtelijke resolutie.

Dankzij de verbeterde resolutie van SCAPE 2.0 kon het team ook afbeeldingen maken van monsters die zijn gemaakt met behulp van weefselopruiming en weefselexpansie. Met deze methoden kunnen wetenschappers structuren en verbindingen diep in intacte monsters zien, van hele muizenhersenen tot tumoren en menselijke biopsieën. Hoewel deze monsters niet levend zijn, ze zijn erg groot en het duurt lang voordat ze worden afgebeeld met standaardmicroscopen. Het artikel van vandaag laat zien dat SCAPE 2.0 dit soort monsters met recordsnelheden kan afbeelden.

Dr. Hillman en haar team blijven SCAPE ontwikkelen en verbeteren om het nut ervan verder uit te breiden, terwijl we werken met een steeds groter wordende groep medewerkers, van neurowetenschappers van het Zuckerman Institute tot Columbia-vulkanoloog Einat Lev Ph.D., die SCAPE gebruikt om de vorming van gasbellen tijdens vulkaanuitbarstingen in beeld te brengen.

Het team van Dr. Hillman ontwikkelt ook een geminiaturiseerde versie van SCAPE voor medisch gebruik, om snel onderscheid te maken tussen gezonde en zieke cellen in het lichaam van een patiënt, artsen een nieuwe manier geven om te begeleiden bij het uitvoeren van complexe operaties in de operatiekamer.

"De beperkingen van tools en technieken beperken vaak wat wetenschappers denken te kunnen bestuderen, " zei Dr. Hillman, die ook hoogleraar radiologie is aan Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons. "SCAPE 2.0 opent een nieuw landschap van dingen die we kunnen zien. Ik hoop dat onze nieuwe resultaten wetenschappers zullen inspireren om na te denken over welke nieuwe vragen kunnen worden gesteld, en welke nieuwe wegen voor wetenschappelijke ontdekkingen we vervolgens kunnen verkennen."

Dit artikel is getiteld "Real-time volumetrische microscopie van in-vivo dynamiek en grootschalige monsters met SCAPE 2.0."