Cell Rep Met | 高速多通道活体成像技术SHy-Cam

原创 图灵基因 图灵基因 2023-04-10 11:52 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学技术

一项新技术提供了一种实时收集和组织有关有机组织的高度详细信息的方法。《Nature Methods》和《Cell Reports Methods》上发表的两篇论文详细介绍了这种方法，它使用一种算法来提高组织发出的信号的质量，分离并捕获它们。这些方法有朝一日可以用于癌症治疗中的快速组织活检，或在食品加工厂中检测细菌。

南加州大学维特比工程学院研究助理教授Francesco Cutrale博士指出，这项新技术可以与流媒体服务提供不同级别的压缩相媲美，以确保无论用户的互联网连接如何，他们的视频都是一致的。

他说：“根据你的连接速度，流媒体会以不同的压缩级别发送视频，然后根据你的设备进行优化重组。我们正在做类似的事情：我们将非常庞大、非常复杂的数据转移到一个压缩空间。然后，我们可以将通过相似性关联的非常大的数据集视为一个巨大的直方图，并在创纪录的时间内以非常高的灵敏度分析这些数据。”

今年早些时候在《Nature Methods》中详细介绍的算法继续改进了利用荧光的高含量成像方法。然而，这些新的技术并不适用于活体或体内样本的成像。

研究人员展示了这项名为“Hybrid Unmixing”的技术如何能够用于清洁高效地分析活体有机组织。该技术使用线性分解，一种分析样本中被称为荧光团的化合物标记的不同成分的方法。然后，他们使用高光谱相量器将这些成分可视化，这种相量器使用整个色谱，而不仅仅是红色、蓝色和绿色。在此过程中，即使在低照明下，Hybrid Unmixing也可以同时对有机组织内的明亮和昏暗的标记成分进行成像。

该技术允许同时分析这些标记成分的细胞行为和细胞代谢，将为生物系统的复杂性提供更准确的见解。

Cutrale说：“研究领域正在推动对复杂生物系统的理解。虽然研究人员通常一次只检查两到三个标记，但事实是，细胞内相互作用的因素不仅仅是几个。挑战在于，这些信号往往看起来非常相似，很难区分。在我们的论文中，我们成功地识别并分离了多达14种不同的信号。这一突破将使研究人员对细胞和生物系统内的活动有更全面的了解。”

Cutrale说，从行业的角度来看，该算法为许多应用程序奠定了基础。他说：“我们在生命科学领域工作，但很容易想象在评估水果质量、农药残留或如何优化许多其他领域的生产方面的大量应用。”

最近发表在《Cell Reports Methods》上的一篇题为“A single-shot hyperspectral phasor camera for fast, multi-color fluorescence microscopy”的后续论文，描述了用于捕捉这类信息的硬件——SHy-Cam（Single-shot Hyperspectral Phasor Camera）。典型的利用荧光的组织成像技术利用光谱上的颜色通道来补偿标记之间的重叠。这种技术降低了成像速度，如果过度曝光，最终会损坏样品。

有了SHy-Cam，研究人员能够在一台可以使用现有光学元件构建的相机中使用新算法快速高效地获取光谱信息。本文描述的新设备每秒能够获取30个数据集，光子效率超过80%。研究人员说，这使得它成为多色活体成像的强大工具。

Cutrale说：“如何用二维传感器生成二维图像？你可以拍照。我们面临的挑战是如何用2D传感器捕获3D数据集。一个典型的颜色传感器获取红色、蓝色和绿色三种颜色，或者通过灰度传感器接收所有信息。”

“在我们的案例中，我们需要请求42个通道的信息，这些信息既不常见，也不高效。在本文中，我们设计了一种新的方法，可以通过单个图像获得光谱信息的编码版本。”

Cutrale说他们是通过利用光来做到这一点的。该团队利用光来转换信息，并在将其压缩到传感器上之前使用它来进行计算。在使用这种方法时，该团队展示了它如何接收图像的整个光谱和尺寸。

他说：“我们已经捕捉到了图像的X轴和Y轴——它的高度和宽度——以及波长轴上的光谱信息，所有这些都是用标准相机在一张图像中捕捉到的。这是一种非常强大的方法。我们在这种硬件方法中获得了效率，在某些情况下比现有仪器快8倍。换句话说，以这种压缩的方式到达相机传感器的光是现有仪器的8倍。”