Een arsenaal aan geavanceerde microscopietools is nu beschikbaar om hoogwaardige visualisatie van cellen en organismen in 3D te bieden en heeft daarmee ons begrip van de complexe biologische systemen en functies onderbouwd.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Hong Kong (HKU) ontwikkelde een nieuwe vorm van beeldvorming, bedacht gecodeerde light-sheet array microscopie (CLAM) die volledige 3D parallelle fluorescentiebeeldvorming mogelijk maakt zonder enig scanmechanisme - een mogelijkheid die anders een uitdaging is in de bestaande technieken.

Gevestigde 3D biologische microscopietechnieken, met name confocaal, multifoton microscopie, en light-sheet fluorescentiemicroscopie (LSFM), voornamelijk vertrouwen op laserscannen voor het vastleggen van afbeeldingen. Nog, het gaat ten koste van de beeldsnelheid omdat het hele volume achtereenvolgens punt voor punt moet worden gescand, lijn voor lijn of vlak voor vlak met een snelheid die wordt beperkt door de mechanische bewegingen waarbij de beeldvormende onderdelen betrokken zijn.

Nog erger, veel seriële scanbenaderingen wekken herhaaldelijk onscherpe fluorescentie op, en zo fotobleken en fotoschade versnellen. Ze zijn dus niet gunstig voor de lange termijn, grootschalige volumetrische beeldvorming die van cruciaal belang is in toepassingen zo divers als anatomische wetenschap, ontwikkelingsbiologie en neurowetenschappen.

3D-parallellisatie in CLAM vereist een nog zachtere verlichting om een ​​vergelijkbaar niveau van beeldgevoeligheid te bereiken bij dezelfde volumetrische framesnelheid. Vandaar, het vermindert verder de fotoblekingssnelheid en dus het risico op fotobeschadiging. Dit is een essentieel kenmerk voor het behoud van de levensvatbaarheid van het biologische specimen in monitoringstudies op lange termijn.

Het hart van CLAM is het concept van de 'oneindig spiegel' (d.w.z. een paar parallelle spiegels), wat gebruikelijk is in de beeldende kunst en decoratie, en is eerder door hetzelfde team aangenomen voor het mogelijk maken van ultrasnelle optofluidic eencellige beeldvorming. Hier gebruikte het team de 'oneindigheidsspiegel' samen met eenvoudige bundelvorming om een ​​enkele laserstraal te transformeren in een array met hoge dichtheid van enkele tientallen lichtplaten voor 3-D parallelle fluorescentie-excitatie.

"Een onderscheidend kenmerk van CLAM is het vermogen om de ruimtelijke dichtheid en temporele coherentie van de lichtvel-array flexibel opnieuw te configureren, door simpelweg de spiegelgeometrie af te stemmen, zoals spiegelscheiding en kantelhoek, " verklaarde Dr. Yuxuan Ren, de postdoctoraal onderzoeker en de eerste auteur van het werk.

"Deze mogelijkheid was een uitdaging in de bestaande coherente golffront-vormmethoden, maar zou efficiënte parallelle 3D LSFM mogelijk maken in beeldvorming van verspreide weefsels met minimaal spikkelartefact, ’ voegde Ren eraan toe.

CLAM gebruikt ook code division multiplexing (CDM) (bijv. orthogonale multiplexing met frequentieverdeling aangetoond in dit werk), een techniek die veel wordt gebruikt in de telecommunicatie, om het fluorescentiesignaal van elk beeldvlak af te drukken met een unieke code. Als resultaat, het maakt geparallelliseerde 3D-beeldopname met optische sectie mogelijk door gebruik te maken van een 2D-beeldsensor.

"CLAM heeft geen fundamentele beperking in het schalen naar een hogere volumesnelheid, aangezien de cameratechnologie voortdurend vooruitgaat, "Dr. Kevin Tsia, Universitair hoofddocent bij de afdeling Electrical and Electronic Engineering aan de HKU en de leidende onderzoeker van het team.

"Ook, CLAM kan worden aangepast aan alle bestaande LSFM-systemen met minimale hardware- of softwareaanpassingen. Daarom, het is direct beschikbaar voor verspreiding naar de bredere gemeenschap van LSFM en gerelateerde 3D-beeldvormingstechnieken, ’ voegde Tsia eraan toe.