2021 年 8 月 11 日消息,德国波恩, 波恩大学、大学医 院和欧洲高级研究与研究中心 (caesar)的 Immuno Sensation 2卓越集群的研究人员开发一种 3D 重建方法,即使用多焦点成像 (MFI) 设备,以提供精确、无标记的 3D 快速生物过程跟踪。该工具允许科学家使用 MFI 重建 3D 中快速移动的生物过程的运动,同时保持大视野 (FOV) 和高时空分辨率。


标准 MFI 设备允许高速 3D 成像,但它们需要明亮的荧光标记,并且受限于需要在高分辨率和大 FOV 之间进行折衷。


当 MFI 设备放置在显微镜和相机之间的光路中时,它会分离物镜收集的光,并将样品的多个焦点图像投影到相机芯片的不同位置。当焦平面数量增加时,这种方法会限制 FOV 并降低信噪比。由于这些原因,基于 MFI 的 3D 跟踪需要荧光标记,并且受到速度较低、采样量较小或精度降低的限制。


波恩大学等实现快速移动的生物过程的3D重建,还具备高时空分辨率

一种新算法为鞭毛跳动的动力学及其与精子游动行为的联系提供了新的见解。由勒内帕斯卡提供


为了解决这些限制,研究人员开发了一种用于 MFI 的 3D 重建算法,该算法基于基于散焦图像推断对象的 z 位置 - 使用该方法来表征人类和海胆的流体流动和鞭毛跳动精子。他们能够以 0.15 µm 的 z 精度、高达 240 × 260 µm 的 FOV、高速 (500 Hz) 和高达 21 µm 的深度跟踪和重建精子。据该团队称,这些结果显示,与传统 MFI 系统相比,深度增加了 3.5 倍,FOV 增加了 22 倍,采样速度增加了 2.5 倍。


此外,研究人员的方法支持采样体积,使他们能够跟踪单个精子的轨迹,同时在很长一段时间内以 3D 形式记录它们的鞭毛节拍。研究人员还确定了跳动精子周围的 3D 流体流动。大视野使研究人员能够在不影响精度或速度的情况下将游泳轨迹和精子的跳动模式联系起来。


该团队表示,其方法还可用于确定由气道和大脑中活动纤毛的跳动产生的 3D 流图,其跳动方式类似于精子尾部。


波恩大学等实现快速移动的生物过程的3D重建,还具备高时空分辨率


研究人员表示,他们增强 MFI 的方法具有成本效益且易于实施,使广泛的科学界可以使用它。使用该算法不需要特殊设备,可以使用与大多数显微镜兼容的市售适配器。该系统可以灵活地使用不同的适配器镜头自定义图像平面之间的焦距,并且可以使用不同的物镜适应从纳米级到毫米级的物体尺寸。


该研究发表在Nature Communications上。


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