An off-the-shelf light-sheet microscopy ecosystem enables versatile cleared-tissue imaging across scales and applications
本論文は、高解像度、多色、および広視野のイメージング機能を、相互運用可能なバリアントと標準化された制御システムを通じて統合することで、透明化した組織の3次元イメージングを民主化する、多用途かつ費用対効果の高い既製品のライトシート顕微鏡エコシステムであるdescSPIM-Advancedを導入するものである。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
たった一つのレンガを見ることや、建物ではなく通りだけが描かれた地図を見ることで、その街を理解しようとする場面を想像してみてください。何十年もの間、生物学者は生命の内部を観察しようとする際、同様の問題に直面してきました。脳の複雑な配線や臓器全体の血管を研究するために、彼らは通常、組織をパンの切り分けのように薄く平らな破片にスライスし、それぞれのスライスを顕微鏡で観察しなければなりませんでした。この手法は、臓器を繋ぎ止めている三次元的な繋がりを破壊してしまいます。近年、「組織透明化」と呼ばれる新しいアプローチが登場しました。これは、組織全体をガラスのように透明にし、光が透過できるようにするものです。しかし、これら透明になったホールボディ（全容）の内部の詳細を見るためには、薄い光のシートを用いて対象物を一層ずつスキャンする特殊な顕微カーネルが必要です。これらの装置は強力ですが、伝統的に高価で、構築が複雑であり、単一の特定の作業しか得意としないという限界がありました。
研究チームは今回、生物学的イメージングの景観を変えるような、新しい顕微鏡の構築方法を導入しました。研究所が異なるタスクのために別々の高価な装置を選択することを強いるのではなく、彼らは一般的な市販品から組み立て可能な、柔軟なツールのエコシステムを作り上げました。彼らが「descSPIM-Advanced」と呼ぶこのシステムにより、研究室は、微細な詳細を見たいのか、巨大な臓器を一気に捉えたいのか、あるいは多くの色を同時に検出したいのかといった、自身の特定のニーズに合わせてカスタマイズされた顕微鏡を構築することができます。研究者たちは、いくつかの主要なコンポーネントを交換するだけで、基本設計を、異なる課題に対応するために最適化された4つの異なるバージョンへと変貌させられることを実証しました。
この研究の核心となる考え方は、高度なイメージングが、高価な商業施設という扉の向こう側に閉じ込められる必要はないということです。研究者たちは、以前に開発した基本的で手頃な価格の顕微鏡設計からスタートし、ゼロから作り直すことなくアップグレードできることを示しました。彼らは概念を証明するために、4つの特定のバージョンを構築しました。最初の「Galaxy」は、多くの異なる色を同時に見るように設計されています。標準的な顕微鏡では、あまりに多くの発光マーカーを同時に見ようとすると、それらの色が混ざり合ってしまいます。Galaxyバージョンは、重なり合う色を分離できる特殊なカメラを使用しており、染色やスキャンの工程を何度も繰り返すことなく、マウスの胚における最大7つの異なる生物学的構造を一度に追跡することを可能にします。この能力は、単一の完全な容積内での、異なる細胞型間の複雑な相互作用のマッピングへの道を開きます。
第二のバージョンである「Deepsky」は、鮮明さに焦点を当てています。基本の顕微鏡は大きな構造を見るのには適していますが、個々の細胞の微細な詳細を解像することはできません。Deepsky構成は、より高品質なレンズとスキャニングミラーを組み込むことで、画像をシャープにします。研究者たちはこのセットアップを使用して、腎臓や肺の組織の高精細な三次元マップを作成しました。その画像は非常にクリアで、個々の細胞を数えることができ、さらに物理的な切断を必要とせずに従来の染色組織スライドのような擬似カラー画像を生成することもできました。これは、多額の費用がかかる商業用機器を使わずに、細胞レベルの解像度、つまり臓器の微細な構造を見ることができることを証明しています。
最も大きな構造を見る必要がある科学者のために、「Fullmoon」があります。マウスの脳全体のような臓器は、標準的な顕微鏡では一度に捉えるには大きすぎるため、研究者は数百枚の小さな写真を撮ってそれらを繋ぎ合わせる必要があり、このプロセスはエラーを導入する原因となります。Fullmoonバージョンは、大判カメラと広い光のビームを使用して、広大な視野をキャプチャします。チームは、元のサイズの10倍に拡張されたマウスの脳をイメージングすることで、これを実証しました。彼らは拡張された臓器全体を一度のショットで捉え、複雑なスティッチング（繋ぎ合わせ）を回避し、データの完全性を保持しました。これにより、臓器系全体の完全で中断のないビューが可能になります。
最後に、チームはコストと複雑さという障壁に対処した「SLIM」と呼ばれるバージョンを用意しました。彼らはシステムを最も単純な形に削ぎ落とし、コンパクトなレーザーダイオードと最小限の部品を使用しました。この構成は、わずか数時間で、かつ約1万5千ドルという、他のシステムのほんの一部に過ぎないコストで組み立てることができます。そのシンプルさにもかかわらず、依然として透明化した組織の高品質な三次元画像を生み出します。このバージョンは、アクセシブルなエントリーポイントとして機能し、より多くの研究室が透明化組織イメージングを開始し、ニーズに応じて後からシステムをアップグレードできるようにします。
これらすべての異なるバージョンは、「Mission Control Center」と呼ばれる共通のソフトウェアプラットフォームによって統合されています。このソフトウェアはユニバーサルリモコンのように機能し、同じコンピュータプログラムで4つの顕微鏡構成のいずれも操作することができます。つまり、研究室はSLIMバージョンからスタートし、研究上の問いがより複雑になるにつれて、全く新しいソフトウェアを学習したり新しい機械を購入したりすることなく、ハードウェアをGalaxy、Deepsky、またはFullmoonシステムへと再構成できるのです。研究者たちは、設計図、部品リスト、およびソフトウェアを公開しており、他の科学者がこれらの設計を構築し、改良していくことを推奨しています。
これら一連の研究成果は、高度な三次元イメージングがもはや資金豊富なコア施設だけの独占物ではないことを示しています。モジュール式の市販品エコシステムが幅広い用途において高いパフォーマンスを発揮できることを証明することで、研究者たちはこの強力なツールへのアクセスを民主化しました。彼らは、適切な設計があれば、研究室は単一目的の道具ではなく、科学の進展とともに成長できる多才なプラットフォームとしての顕微鏡を構築できることを示しました。この転換により、より多くの研究者が、自ら構築し制御できる装置を用いて、最小の細胞から臓器全体に至るまで、生命の完全な三次元的複雑さを探求できるようになりました。
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