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发育生物学 - 显微镜成像解决方案

发育生物学是生命科学中聚焦生命基本过程的研究领域。发育生物学研究多细胞生物生长和发育的过程,研究方向包括变态发育、胚胎发育、组织生长、形态发生、干细胞分化、胚胎发生、植物发育与再生等。这些领域的研究需从微观和分子层面开展,且需要多种技术手段才能顺利完成。

Andor 提供技术解决方案,助力细胞与发育生物学家攻克研究难题。

应用方向

细胞迁移

在发育生物学中,细胞迁移是研究的关键方向。细胞可独立迁移或集体迁移,集体细胞迁移能维持细胞间接触、实现生物群体极化,且受协同调控。

牛津仪器ANDOR提供实时分析细胞运动动态的解决方案。Dragonfly 跨尺度多模态显微成像系统的高背景抑制能力和灵敏度,以及 Andor Dragonfly 搭配 sCMOS 相机(如 Sona 11)的大视野,可确保对集体细胞迁移进行长达数天的成像,且无光照毒性或光漂白现象。借助 Imaris 追踪分析工具,研究人员可自动分析运动物体、统计数据并绘制结果,这些数据还可搭配精美的 3D 渲染图像呈现。

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形态发生

形态发生领域的研究人员聚焦驱动整个生物发育的分子和细胞机制,也可针对成熟生物研究组织稳态、组织再生及癌细胞形态发生。

活体形态发生成像需要高灵敏度显微镜,以在极低光照下成像。Dragonfly 搭配高灵敏度 EMCCD 相机是研究形态发生动态的理想选择。

为探究基因表达对形态发生的影响,Andor 光学低温恒温器(MicrostatN Microstat He-R)可实现高精度样本切片。为保证高效率,成像采集可借助 Andor 转盘共聚焦显微镜BC43Dragonfly)的高速特性,搭配大视野、高灵敏度的 sCMOS 相机也十分关键。

图像分析需结合研究主题:Imaris for Tracking 可追踪细胞谱系,Imaris for Cell Biologists 能分析基因表达的共定位情况。

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胚胎发生

胚胎发生是指生物从受精卵发育到胚胎阶段完成的过程。

牛津仪器DragonflyBC43共聚焦显微镜凭借大成像视野优势,是研究胚胎发生的出色光学工具,研究人员可捕捉从单细胞阶段到器官发生的完整胚胎发育过程。

Dragonfly 的近红外(NIR)激光器是胚胎发育活体成像的绝佳选择,搭配 EMCCD 相机可在极低光照强度下研究不对称细胞分裂机制。

借助牛津仪器BC43共聚焦显微镜,可对斑马鱼(或其他大型模式生物)的早期胚胎发育成像,通过微分相位衬度(DPC)观察整个生物体,并结合 DPC 与共聚焦成像定位荧光信号。

可使用光遗传学工具(Mosaic)研究特定细胞群的命运,通过强激光脉冲(Micropoint)诱导局部细胞运动,激活或隔离特定蛋白并分析其对中胚层、外胚层和内胚层形成的影响。

在追踪胚胎发生过程中的细胞谱系和细胞运动、分析不同细胞亚群甚至绘制胚胎基因表达标志物分布时,Imaris for TrackingImaris for Cell Biologists 为研究人员提供了图像分析定量和 3D 渲染所需的工具。

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植物研究

发育植物生物学家面临的研究问题繁多。

在旨在构建细胞类型和基因组特异性数据库的基因表达分析中,样本需进行切片,MicrostatN Microstat He-R 是切割植物组织的理想方案。

牛津仪器Dragonfly 的大视场搭配专利的Uniform Borealis 照明技术,适合对多色植物样本成像;背照式 sCMOS 相机可提供所需的速度和视场,加快海量实验数据的采集;近红外激光器能深入样本组织成像,克服散射和自发荧光的干扰。

Andor Dragonfly 搭配带 SRRF-Stream+ iXon EMCCD 相机,可解决植物囊泡运输研究中速度和衍射极限分辨率的挑战。

iKon 相机因长曝光下低噪声的特性,适合生物发光研究;iXon EMCCD 相机则凭借高灵敏度,适用于单分子生物发光成像。

Imaris for Cell Biologists
可对不同植物组织及细胞内结构(如细胞壁、细胞膜、细胞核、叶绿体等)进行分割,还能为 3D 渲染图像搭配图表,绘制细胞间 / 细胞器内的 XYZ 轴距离及其他统计测量数据。

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类器官

类器官是可复刻器官复杂性的 3D 结构,是科学研究中最具前景且发展最快的工具之一。

牛津仪器共聚焦系统(BC43 Dragonfly)凭借大视场、均匀的 Borealis 照明和采集速度,在 3D 类器官成像中表现出色:Andor Benchtop 适合四色、厚度达 500 μm 的样本;如需对更厚样本进行成像,研究人员应选择 牛津仪器 Dragonfly。

Sona 4.2-11
的大视场和高动态范围,能捕捉类器官发出的所有光信号(高强度和低强度)。

干细胞分化形成类器官的低光照活体成像,需要 iXon EMCCD 等高灵敏度相机。

光遗传学 / 光刺激实验可研究干细胞向类器官发育过程中的细胞命运,Mosaic 是在发育中的类器官多个区域局部激活一个或多个细胞的理想工具。

针对类器官特定细胞结构(如细胞膜)或特定区域的蛋白恢复动态,使用 Micropoint 进行激光照射并通过 FRAP 漂白目标区域是理想方案。

Imaris for Cell Biologists
为类器官研究人员提供所需的全部工具,包括追踪细胞运动、识别不同细胞群和谱系,还可结合可靠的统计数据及精美的 3D 渲染影像呈现结果。

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血管研究

血管研究聚焦血管形成机制及血液在动静脉中的流动方式,应用范围涵盖器官 / 生物发育过程中的血管形成到癌症相关血管研究。

牛津仪器ANDOR光学低温恒温器
(MicrostatN 或 Microstat He-R)可实现高精度样本切片,适合研究固定样本中的血管壁形成。

牛津仪器ANDOR高速转盘共聚焦系统搭配 Borealis 均匀照明技术,能快速采集冷冻切片血管的高质量多块拼接图像。BC43适合进行四色样本成像;若标记物超过四种,研究人员应选择 Dragonfly

牛津仪器BC43桌面式显微成像系统搭配 Andor sCMOS 探测器,可对斑马鱼胚胎的活体血管生成进行超过 48 小时的成像;如需更快成像,可使用 Dragonfly,其能以高达 400 帧 / 秒的速度采集血管内血流图像,sCMOS 相机是捕捉这类高速事件的理想选择。

可使用 Micropoint 损伤血管并检测损伤处的凝血速度,使用 Mosaic 研究血管壁中激活蛋白的扩散情况。

Imaris for Neuroscientists 是追踪器官内血管的理想工具,研究人员可绘制不同处理下血管的 4D 统计数据,对延时成像或固定组织成像进行 3D 渲染,Imaris 能清晰呈现血管内部情况。

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技术手段

共聚焦显微镜技术

转盘共聚焦显微镜适用于多种发育生物学应用,借助针孔的背景抑制能力,可对厚样本进行深层成像并获取 3D 信息。

此外,多点转盘(配备双微透镜系统和优化的针孔尺寸 / 间距)能生成高信噪比图像,同时可对发育中的生物进行温和的活体成像,且成像时长可达数天。

转盘系统的高速特性,无论是固定样本还是活体样本成像,都能保证极高的效率。

多重成像技术

空间转录组学(或多重成像技术)可在 RNA 的二维或三维生物学背景下揭示多种(Xⁿ)RNA 的表达,其优势在于能明确多个基因产物的表达位置及其周围环境。

其机制为:用荧光探针标记杂交的 RNA 分子,采集图像数据(通常扫描体积拼接图像)后洗脱探针;每获取一组图像数据,经 “剥离 - 洗涤” 步骤后进行下一轮杂交;该过程重复 N 次,生成大量编码图像数据。高灵敏度转盘共聚焦显微镜搭配大视场、全成像区域照明均匀的相机,是多重成像的理想选择。

扩展显微镜

膨胀显微镜技术(ExM) 是一种能提供样本超分辨信息的成像方法,通过各向同性地膨胀样本实现超分辨成像。传统超分辨技术通常仅能在盖玻片外数纳米范围内成像,无法获取组织或发育结构深层的超分辨信息,而 ExM 可实现样本全层的超分辨成像。

样本膨胀后体积变大且信号微弱,成像时需搭配双微透镜转盘和高灵敏度 EMCCD 探测器,以捕捉极微弱的信号;Borealis 均匀照明技术能无缝拼接采集扩展样本所需的多块图像;大视场结合高速采集可保证高效率,这对及时采集所有所需数据至关重要。

光遗传学技术

光遗传学是一类利用光激活或调控经基因修饰的光敏蛋白的生物技术,研究人员可通过光脉冲操控特定细胞功能,如神经元激活、细胞形态发生、微管动态等。

牛津仪器Mosaic 是光遗传学研究的理想工具,可同时且精确控制样本多个区域的照明。

FRAP 与 FRET 技术

FRAP(荧光漂白后恢复技术):

该技术通过高激光功率在特定区域可控地漂白荧光染料,利用扩散系数测量未漂白荧光染料向漂白区域的移动速率,扩散系数可反映分子动态,Micropoint 是 FRAP 研究的理想工具。

FRET(荧光共振能量转移技术):

该现象发生在短距离内(通常 10 nm 以内),指激发态能量从供体荧光团直接转移到受体荧光团,实现 FRET 需供体发射光谱与受体激发光谱重叠,能量转移后受体分子进入激发态。

由于 FRET 发生在分子级短距离内,是分析蛋白 - 蛋白相互作用、DNA - 蛋白相互作用及蛋白构象变化的理想工具。

生物发光显微镜技术

生物发光是生物体产生并发射光的现象,属于物理发光的一种,无需激发即可直接发光,且发光可持续数分钟甚至数小时。

生物发光在显微镜成像中的显著优势:可避免自发荧光的干扰和激发光的散射,因此能实现高信噪比成像。

由于无需激发光,该技术非常适合活体研究(无光照漂白或光照毒性),可对活体进行长时间的生物发光显微镜观察。

发育生物学解决方案

牛津仪器ANDOR为发育生物学提供全方位解决方案,涵盖样本制备、成像采集到图像分析:样本制备阶段,光学低温恒温器可实现精确组织切片;成像采集阶段,有小巧的牛津仪器BC43桌面式显微成像系统和高端的Dragonfly 跨尺度多模态显微成像平台等完整成像系统,高灵敏度 EMCCD 相机适合低光照及挑战性样本成像,sCMOS 探测器适合高速、高分辨率成像;图像分析阶段,不同 Imaris 套件为细胞生物学家提供分析工具(如 Imaris for Cell Biologists)。

学习资源

客户出版物

Author Title Journal Year
Kynan T Lawlor et al Cellular extrusion bioprinting improves kidneyorganoid reproducibility and conformation Nature Materials 2021
Bei Liu et al Chemically defined and xeno-free culture conditionfor human extended pluripotent stem cells Nature Communications 2021
Yan Zhang et al Oocyte-derived microvilli control female fertility byoptimizing ovarian follicle selection in mice Nature Communications 2021
Jifeng Liu et al Synthetic extracellular matrices with tailoredadhesiveness and degradability support lumenformation during angiogenic sprouting Nature Communications 2021
Anthony M Pettinato et al Sarcomere function activates a p53-dependent DNAdamage response that promotes polyploidizationand limits in vivo cell engraftment Cell Reports 2021
Julien Rességuier et al Organoid reproducibility and conformation Journal of Controlled Release 2021
Lama Tarayrah-Ibraheim et al DNase II mediates a parthanatos-likedevelopmental cell death pathway in Drosophilaprimordial germ cells Nature Communications 2021
Anthony M. Pettinato et al Development of a Cardiac Sarcomere Functional Genomics Platform toEnable Scalable Interrogation of Human TNNT2 Variants Circulation 2020
Yue Li Melatonin promotes human oocyte maturation and early embryodevelopment by enhancing clathrin‐mediated endocytosis J Pineal Res. 2019
Celine J. Vivien et al Vegfc/d-dependent regulation of the lymphatic vasculatureduring cardiac regeneration is influenced by injury context npj Regenerative Medicine 2019
Leily Kashkooli et al Ectoderm to mesoderm transition by down regulation ofactomyosin contractility Plos Biology 2019
Lorna J. Hale 3D organoid-derived human glomeruli for personalised podocyte disease modelling and drug screening Nature Communications 2018
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