An off-the-shelf light-sheet microscopy ecosystem enables versatile cleared-tissue imaging across scales and applications
本文介绍了 descSPIM-Advanced，这是一个多功能且具有成本效益的现成轻片显微成像生态系统，通过互操作的变体和标准化的控制系统，将高分辨率、多色和宽视野成像能力统一起来，以实现 3D 透明组织成像的普及。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
想象一下，试图通过观察一块砖头来了解一座城市，或者通过研究一张只显示街道而不显示建筑物的地图来理解城市。几十年来，生物学家在试图观察生命内部结构时也面临着类似的问题。为了研究大脑复杂的神经连接或整个器官的血管，他们通常必须将组织切成薄薄的、扁平的片状，就像切面包片一样，然后在显微镜下观察每一片。这种方法破坏了将器官连接在一起的三维结构。一种被称为“组织透明化”的新方法解决了这个问题，它能让整个器官变得像玻璃一样透明，使光线能够穿透其中。然而，为了看到这些透明完整器官内部的细节，科学家需要一种特殊的显微镜，它利用一层薄薄的光束来逐层扫描物体。这些机器功能强大，但传统上一直非常昂贵、构造复杂，且仅限于出色地完成某一项特定的工作。
一组研究人员现在推出了一种构建这些显微镜的新方法，改变了生物成像领域的格局。该系统不再强迫实验室在不同的昂贵机器之间做出选择，而是创建了一个可以由常见的现成零件组装而成的灵活工具生态系统。他们将这个系统称为 descSPIM-Advanced，它允许单个实验室根据其特定需求构建定制化的显微镜，无论是为了观察微小的细节、一次性捕捉巨大的器官，还是同时检测多种颜色。研究人员通过更换几个关键部件，证明了同一个基本设计可以转化为四个不同的版本，每个版本都针对不同的挑战进行了优化，以观察人体内部的不可见世界。
这项工作的核心理念在于，高端成像并不一定被锁定在昂贵的商业设施大门之后。研究人员从他们之前开发的一种基础且负担得起的显微镜设计开始，展示了如何在不从零开始的情况下对其进行升级。他们构建了四个特定版本来证明这一概念。第一个名为 Galaxy（银河），旨在同时观察多种不同的颜色。在标准显微镜中，如果你尝试同时观察过多的发光标记，它们的颜色会混合在一起。Galaxy 版本使用了一种特殊的相机，可以分离这些重叠的颜色，使科学家能够在无需多次染色和扫描样本的情况下，在单个小鼠胚胎中追踪多达七种不同的生物结构。这种能力为在单个完整的体积内绘制复杂的细胞类型相互作用开辟了大门。
第二个版本名为 Deepsky（深空），专注于清晰度。虽然基础显微镜擅长观察大型结构，但它无法分辨单个细胞的微小细节。Deepsky 配置通过更换更高质量的透镜和扫描镜来提高图像的锐度。研究人员使用这套装置创建了肾脏和肺部组织的高清三维图谱。这些图像非常清晰，以至于他们可以计数单个细胞，甚至可以生成看起来像传统染色组织切片的伪彩色图像，而无需进行物理切割。这证明了一个实验室可以在不需要数百万美元商业仪器的情况下，实现亚细胞分辨率，即观察器官的精细架构。
对于需要观察最大结构的科学家来说，有 Fullmoon（满月）。某些器官，如整个小鼠大脑，对于标准显微镜来说实在太大了，无法在单次视图中捕获，这迫使研究人员必须拍摄数百张小图并将其拼接在一起，而这个过程可能会引入误差。Fullmoon 版本使用大尺寸相机和宽光束来捕捉巨大的视野。团队通过对体积扩大了十倍的整个小鼠大脑进行成像展示了这一点。他们通过一次性拍摄捕捉到了整个扩大的器官，避免了复杂的拼接过程，并保持了数据的完整性。这使得能够获得整个器官系统的完整、连续的视图。
最后，团队通过 SLIM 版本解决了成本和复杂性的障碍。他们将系统简化到了最基本的形态，使用紧凑的激光二极管和极少的零件。这个配置可以在短短几小时内组装完成，成本约为一万五千美元，仅为其他系统的极小部分。尽管它非常简单，但仍然可以产生高质量的整个胚胎的三维图像。这个版本作为一个易于入门的选择，允许更多实验室开始进行透明组织成像，并随着研究需求的增长逐步升级他们的系统。
所有这些不同的版本都由一个名为 Mission Control Center（任务控制中心）的共享软件平台连接在一起。该软件充当了一个通用遥控器，允许同一个计算机程序操作上述四种显微镜配置中的任何一种。这意味着一个实验室可以从简单的 SLIM 版本开始，随着研究问题的复杂化，通过更换硬件将其转变为 Galaxy、Deepsky 或 Fullmoon 系统，而无需学习全新的软件或购买全新的机器。研究人员已向公众开放了蓝图、零件清单和软件，邀请其他科学家构建并改进他们的设计。
这项工作的成果表明，先进的三维成像不再是资金雄厚的专业机构的专属领域。通过证明模块化、现成零件组成的生态系统可以提供跨广泛应用的卓越性能，研究人员实现了这些强大工具的民主化。他们表明，凭借正确的设计，实验室可以构建的不仅仅是一个单用途工具，而是一个能够随着科学进步而发展的多功能平台。这种转变意味着更多的研究人员现在可以探索生命的完整三维复杂性——从最小的细胞到整个器官——并使用他们可以自行构建和控制的仪器。
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