把信封:亚细胞和高通量细胞成像

显微镜一直帮助科学家同行进入微观世界图像组织和细胞和细胞器。在17日^th世纪,安东尼·范·列文虎克显著提高简单的显微镜和发现的微生物细胞成像和微观结构。他已经成为著称的开创性工作在显微镜和对微生物学的贡献,荣幸的同名微生物学杂志》上安东尼·范·列文虎克。显微镜下继续发展,高质量的镜头,捕捉清晰图像,更大的放大,和多样化的照明源,更好地组织和细胞图像。技术进步,如超分辨率显微镜过去,使分辨率可见光的衍射极限,促进组织和细胞图像的更多细节。今天,所有的生物学实验室显微镜,从基本的学校实验室先进的研究设施。创新甚至成为可能一个便宜的,可折叠的显微镜细胞成像的能力。

细胞成像是基础研究和生物医学研究的主要通过一些实验技术,如殖民地、移民、入侵,细胞循环动力学和血统化验。Immunocyto,免疫组织化学利用antibody-labeling形象定位特定的目标蛋白质在细胞和组织,分别。另外,细胞可以从发射过表达荧光蛋白的成像。除了显微镜的成像室调节温度、湿度、和大气成分使延时,live-cell成像研究动态过程,例如囊泡形成,人口贩卖,和信息交互。

细胞成像领域已经取得了长足的进步和持续发展。亚细胞的细胞器和单分子跟踪正成为一个令人兴奋的大道在细胞成像技术。也像许多领域经历大规模增加自动化和大规模的实验,多路复用和高通量细胞成像同样是首次亮相。

在更紧密地凝视:亚细胞的细胞器和分子结构

显微镜已经改善,他们的分辨率和图像细胞子结构的能力,甚至单分子水平。研究人员现在可以调查细胞器的精心策划走私和交互,货物和生物分子,维持细胞的生活。规模较大的跨度 货物 运输在神经元和 mitochondrial-lipid滴 交互,规模较小的细胞内的可视化 蛋白质 动力学和新生的 信使核糖核酸 合成单分子成像。

“高分辨率的进步,单分子显微镜提供我们有机会跟踪和计数单事件在细胞成像。我们可以配置细胞器的分布和货物交易,不仅整个合奏。这使我们能够辨别任何异质性存在于细胞贩运和交互事件,”教授解释道 Kai张 的生物化学,生物物理学和定量生物学中心神经科学项目,伊利诺伊大学香槟分校。张教授是资深的成像,开始了他的科学生涯在物理化学和photophysics,建筑显微镜。随着事业的发展,他被引诱到神经科学,关注神经元轴突贩运。他利用live-cell成像研究神经营养因子的运输,如神经生长因子( 神经生长因子 )和脑源性神经营养因子( 脑源性神经营养因子 ),以及用超分辨率成像剖面轴突跟踪自己, 微管 。

“在神经元,轴突的一个可以把公路,旅行和货运车辆从一端到另一端。至关重要的是,神经元协调货物运输,因此,至关重要的分子,如生长因子,达到网站需要的地方,例如,神经突生长。持续运转货物交易保证神经元生存,“张教授。“不幸的是,在神经退行性疾病等疾病,高速公路损坏,它创建了一个障碍。我最早的一篇论文使用live-cell成像观察 线粒体运输的缺陷 神经元轴突。我们在线粒体表达红色荧光蛋白,能够单独跟踪它们。我们发现阿尔茨海默病(AD)肽,amyloid-β、顺行受损的线粒体运输(即。、运输远离神经元的身体),被减少的表达救起τ,另一个关键广告蛋白质。有趣的是,在其他类型的神经系统疾病等 神经病变2 b型腓骨肌萎缩 轴突运输的小GTPase Rab7,可以加速,这可能导致过早退化的生存信号由神经生长因子。这些研究表明细胞成像可以提供洞察疾病病理学”张教授继续他的工作。事实上,细胞成像有众多的应用为研究细胞器和生物分子动力学的发展,例如, X染色体失活 和疾病,例如, rna在癌症 , 线粒体贩卖糖尿病 ,贩卖 错误折叠的蛋白质 或 神经退行性疾病 。

“现在我们知道运输是有缺陷的疾病,我们能拯救它吗?我们可以关闭交通,并研究影响吗?”张教授帧他的研究任务之一。” Optogenetic控制 在细胞中是我实验室的主要成就之一。在这个技术,我们在细胞light-responsive通道或蛋白表达,我们可以通过照明激活。通过控制光线照射的时间和地点,我们有时间和空间控制在我们的实验中,我们形象的细胞反应。“张教授和他的团队在细胞成像的影响 optogenetic 的监管 受体酪氨酸激酶 和 英国皇家空军 在细胞分化,调制 蛋白质的活动 , 细胞器和分子马达 分布。“我们现在移动技术在活的有机体内”张教授讨论他的实验室最近的项目。“通过调制 激酶 ,我们可以影响 脊椎动物的发展 的非洲爪蟾蜍光滑的和图像细胞分化和移动原位在他们的微环境。“移动技术老鼠也在张教授的雷达,虽然有技术壁垒成像较大,不透明的生物在活的有机体内。“可以使用光纤,可降解植入发光装置,或转换了纳米粒子。我们调查这些可能性。”

小细胞,大高通量技术

自动化,大规模的方法生成大型数据集是一个轮回,最近的趋势在许多科学领域。细胞成像也不例外,许多高通量技术最近被开发出来。自动化的过程,例如 深度学习 ,应用计算机图像分析和采矿方法成像的细胞或组织 细胞分类 ,增加吞吐量。 整个幻灯片成像 细胞的组织,而且,会导致自动化分类肿瘤组织病理学,临床应用等 肺 癌症和他们的突变, 食管 腺癌、乳腺癌 淋巴结转移 。

另一个激动人心的高通量大道 成像细胞血细胞计数 (IFC),这是一个改编自流式细胞术包含成像。” 国际金融公司 是一个非常强大的技术,它结合了“两全其美”。它受益于单细胞成像显微镜的功能随着传统流式细胞术的高吞吐量的能力,”教授解释道 Yu-Hwa瞧 电子与计算机工程系,加州大学圣迭戈。“传统 流式细胞术 感兴趣分析蛋白质的细胞群,它们被绑定到荧光标记抗体或内源性荧光蛋白表达。为每个分析细胞,流式细胞术只决定是否存在感兴趣的蛋白质。 国际金融公司 通过添加扩展功能成像的检测方式,它提供了一个细胞内蛋白质的空间分布分析细胞的兴趣。“这增加了空间维度有许多有用的应用程序。在研究中,国际金融公司可以使用 细胞形态分类 , 和信息 相互作用, 抗原表达 , 细胞外囊泡 特征,胞内的分析 病原体 等疾病。国际金融公司也有临床 诊断 应用程序,比如评估 急性白血病 细胞损伤, 辐射 (biodosimetry), 红色的 分析(如红细胞成熟,镰状细胞,疟疾等传染性疾病)。

目前,成像流血细胞计数器只产生二维(2 d)的细胞图像,虽然成像 3 d 是一个新兴的主题。“这是一个国际金融公司的目前的缺点,因为2 d图像包含的信息远比3 d图像,”罗教授解释道。“一个类比2 d和3 d细胞图像的区别是x射线图像和CT(计算机断层扫描)扫描。x射线是所有器官的净2 d投影到一个图像,所以信息缺失器官重叠,可能隐瞒重要的解剖特点。相比之下,3 d CT扫描成像包含更多信息串行部分的一个人,解决器官从一个另一个,并提供深度图像。“国际金融公司面临的另一个挑战是能力有限 实时排序 的 细胞成像 ,在某种程度上类似于fluorescence-activated细胞排序(流式细胞仪)在传统流式细胞术。“国际金融公司生成一个非常大量的实时数据难以计算的过程,这限制了我们在实时细胞的能力,“罗教授讨论另一个国际金融公司的弱点。“然而,排序功能会产生很多潜在的研究途径。排序为下游分子提供了独特的能力分析,这些孤立的细胞,将细胞表型特征的分子和遗传特征。”

因此,为了进一步推进国际金融公司,罗教授和他的团队正在开发一个3 d Image-Activated细胞分选仪。“我们需要能够3 d图像细胞为下游分析和排序。高信息内容由3 d细胞成像将改善细胞分类和细胞类型的发现,更好地解决蛋白质定位,促进细胞周期的研究,信息交互,细胞标志物的发现, 细胞对药物反应 、毒素和环境压力,等等的一些应用程序可以极大地增强了深度学习和人工智能。此外,然后分离细胞的能力基于他们的3 d图像系统将是一个重大的飞跃,使下游分析。“罗教授是非常兴奋的3 d Image-Activated细胞分选仪他正在开发,但是知道他需要克服一些障碍。“首先,高品质的3 d图像,我们需要提高图像分辨率。第二,处理产生的大量的数据,我们需要提高数据处理速度,以便仪器可以在实时图像细胞并决定如何解决它。我们非常努力,希望这两个方面将3 d Image-Activated细胞分选仪完成。”

“这是一个非常迷人的多学科交叉的领域,生物物理学家的合作,材料工程师、生物学家,“张教授描述细胞的成像领域。“当你将所有这些领域的专业知识联系在一起,你取得重大进展,开启细胞的秘密。”