An off-the-shelf light-sheet microscopy ecosystem enables versatile cleared-tissue imaging across scales and applications

Stel je voor dat je een stad probeert te begrijpen door naar een enkele baksteen te kijken, of door een kaart te bestuderen die alleen de straten laat zien maar niet de gebouwen. Decennialang kampten biologen met een vergelijkbaar probleem wanneer ze in levende wezens wilden kijken. Om de ingewikkelde bedrading van een hersenen of de bloedvaten van een heel orgaan te bestuderen, moesten ze het weefsel meestal in dunne, platte stukken snijden, zoals een brood dat in plakjes wordt gesneden, en elke plak onder een microscoop bekijken. Deze methode vernietigt de driedimensionale verbindingen die het orgaan bij elkaar houden. Een nieuwere aanpak, genaamd weefselklaring (tissue clearing), lost dit op door hele organen transparant te maken, zoals glas, zodat licht erdoorheen kan passeren. Echter, om de details binnen deze heldere, hele organen te kunnen zien, hebben wetenschappers een speciaal soort microscoop nodig die een dunne lichtplaat gebruikt om het object laag voor laag te scannen. Deze machines zijn krachtig, maar traditioneel waren ze duur, ingewikkeld om te bouwen en beperkt tot het uitvoeren van slechts één specifieke taak.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier geïntroduceerd om deze microscopen te bouwen die het landschap van biologische beeldvorming verandert. In plaats van laboratoria te dwingen te kiezen tussen verschillende dure machines voor verschillende taken, hebben zij een flexibel ecosysteem van instrumenten gecreëerd die kunnen worden samengesteld uit algemeen verkrijgbare onderdelen. Dit systeem, dat ze descSPIM-Advanced noemen, stelt een enkel laboratorium in staat om een microscoop te bouwen die is afgestemd op hun specifieke behoeften, of dat nu betekent dat ze minuscule details willen zien, enorme organen in één keer willen vastleggen, of veel verschillende kleuren tegelijk willen detecteren. De onderzoekers hebben aangetoond dat door een paar cruciale componenten te verwisselen, hetzelfde basisontwerp kan worden getransformeerd in vier verschillende versies, elk geoptimaliseerd voor een andere uitdaging in het zien van de onzichtbare wereld binnen ons lichaam.

De kern van dit werk is dat hoogwaardige beeldvorming niet langer achter de gesloten deuren van dure commerciële faciliteiten hoeft te zitten. De onderzoekers begonnen met een basisontwerp voor een betaalbare microscoop dat ze eerder hadden ontwikkeld en lieten zien hoe dit kon worden geüpgraded zonder vanaf nul te beginnen. Ze bouwden vier specifieke versies om het concept te bewijzen. De eerste, genaamd Galaxy, is ontworpen om veel verschillende kleuren tegelijkertijd te zien. In een standaard microscoop, als je probeert naar te veel gloeiende markers tegelijk te kijken, vervagen hun kleuren in elkaar. De Galaxy-versie gebruikt een speciale camera die deze overlappende kleuren kan scheiden, waardoor wetenschappers tot zeven verschillende biologische structuren in een enkele muisembryo kunnen volgen zonder de monster meerdere malen opnieuw te moeten kleuren en scannen. Deze capaciteit opent de deur naar het in kaart brengen van complexe interacties tussen verschillende celtypen in een enkel, intact volume.

De tweede versie, Deepsky genoemd, richt zich op scherpte. Hoewel de basis microscoop goed is in het zien van grote structuren, kan deze de minuscule details van individuele cellen niet oplossen. De Deepsky-configuratie vervangt de lenzen door kwalitatief betere lenzen en een scannende spiegel om het beeld te verscherpen. De onderzoekers gebruikten deze opstelling om hoogdefinitie, driedimensionale kaarten van nier- en longweefsels te maken. De beelden waren zo helder dat ze individuele cellen konden tellen en zelfs kleurenbeelden met een vals kleurenschema konden genereren die lijken op traditionele gekleurde weefselcoupes, maar dan zonder de noodzaak voor fysiek snijden. Dit bewijst dat een laboratorium subcellulaire resolutie kan bereiken, waarbij de fijne architectuur van organen zichtbaar wordt, zonder een miljoenen dollars kostend commercieel instrument nodig te hebben.

Voor wetenschappers die de grootste structuren moeten zien, is er Fullmoon. Sommige organen, zoals een hele muizenhersenen, zijn simpelweg te groot om door standaard microscopen in één enkel beeld vast te leggen, wat onderzoekers dwingt om honderden kleine foto's te maken en deze aan elkaar te voegen, een proces dat fouten kan introduceren. De Fullmoon-versie gebruikt een camera met een groot formaat en een brede lichtstraal om een enorm gezichtsveld te vangen. Het team demonstreerde dit door een hele muizenhersenen te fotograferen die tien keer de oorspronkelijke grootte was uitgebreid. Ze legden het volledige uitgebreide orgaan vast in één enkele opname, waardoor het nuttig maken van complexe stitching werd vermeden en de integriteit van de gegevens behouden bleef. Dit maakt een volledig, ononderbroken zicht op een heel orgaansysteem mogelijk.

Ten slotte pakte het team de barrière van kosten en complexiteit aan met een versie genaamd SLIM. Ze braken het systeem af tot de meest eenvoudige vorm, gebruikmakend van compacte laserdiodes en een minimaal aantal onderdelen. Deze configuratie kan in slechts een paar uur worden samengesteld voor ongeveer vijftien duizend dollar, een fractie van de kosten van andere systemen. Ondanks de eenvoud produceert deze versie nog steeds hoogwaardige, driedimensionale beelden van hele embryo's. Deze versie dient als een toegankelijk instappunt, waardoor meer laboratoria kunnen beginnen met beeldvorming van geklaard weefsel en hun systemen later kunnen upgraden naarmate hun behoeften groeien.

Al deze verschillende versies worden bij elkaar gehouden door een gedeeld softwareplatform genaamd het Mission Control Center. Deze software fungeert als een universele afstandsbediening, waardoor hetzelfde computerprogramma elke van de vier microscoopconfiguraties kan bedienen. Dit betekent dat een laboratorium kan beginnen met de eenvoudige SLIM-versie en, naarmate hun onderzoeksvragen complexer worden, hun hardware kan herconfigureren om een Galaxy-, Deepsky- of Fullmoon-systeem te worden, zonder dat ze geheel nieuwe software hoeven te leren of een compleet nieuwe machine hoeven te kopen. De onderzoekers hebben de blauwdrukken, onderdelenlijsten en software openbaar gemaakt, in een uitnodiging aan andere wetenschappers om hun ontwerpen te bouwen en te verbeteren.

De resultaten van dit werk laten zien dat geavanceerde, driedimensionale beeldvorming niet langer het exclusieve domein is van zeer goed gefinancierde kernfaciliteiten. Door te bewijzen dat een modulaire, uit algemene onderdelen bestaande ecosystemen een hoge prestatie kan leveren over een breed scala aan toepassingen, hebben de onderzoekers toegang tot deze krachtige instrumenten gedemocratiseerd. Ze hebben aangetoond dat, met het juiste ontwerp, een laboratorium een microscoop kan bouwen die niet slechts een doelgericht instrument is, maar een veelzijdig platform dat kan meegroeien met de wetenschap. Deze verschuiving betekent dat meer onderzoekers nu de volledige driedimensionale complexiteit van het leven kunnen verkennen, van de kleinste cel tot het gehele orgaan, met instrumenten die ze zelf kunnen bouwen en besturen.