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用光操纵细胞网络:光学显微镜的新领域

2019-03-01 18:18:57来源:

一种名为SIFOM(基于刺激和成像的功能性光学显微镜)的新型光学显微镜系统可通过全息方法同时刺激多个细胞,并在刺激后使用基于荧光全息术的3D(三维)测量监测细胞活性。该系统具有潜在的应用作为重建失去的神经通路,构建人工神经网络和食物资源开发的工具。SIFOM的概念和可行性检查于11月1日在Optics Letter上发表,Optics Letter是光学和光子学研究领域的顶级期刊之一。

到目前为止,已经开发出许多光学显微镜,例如相差显微镜,荧光显微镜,多光子显微镜和超分辨荧光显微镜。最近光学技术的突破使科学家们能够在体外和体内观察细胞的超细结构及其功能。我们现在可以使用光通过使用通道视紫红质或其他相关蛋白来操纵光遗传学中的细胞活动。然而,目前用于操纵细胞活动的基于光遗传学的光刺激过于简单,使用LED或通过光纤的均匀曝光,因此只能进行低水平的细胞操作。

这项研究提出了一种名为SIFOM的新型光学显微镜系统。SIFOM由两个子功能组成:基于数字全息术的细胞3D观察和细胞3D刺激。这是第一台配备可同时进行3D观察和刺激的技术的显微镜,它作为生命科学领域的开创性工具具有潜在的应用价值。使用高速无扫描摄影技术,我们可以在很短的时间内获得有关3D空间中发生的多个事件的信息。

作为验证实验,该团队使用了大约10微米的肺癌细胞和荧光珠。他们从深度方向的焦点位置记录了离焦状态的荧光全息图,并实现了细胞和荧光珠的重建。

该研究由Hiroaki Wake教授(神户大学医学研究生院)和Osamu Matoba教授(神户大学系统信息学研究生院)领导的多机构跨学科合作研究小组与Yasuhiro Awatsuji教授(京都)合作进行电气工程与电子学院技术研究所)和宇昭义教授(宇都宫大学光学研究与教育中心)。

在验证实验期间,他们能够一次观察到最多五个细胞的光刺激。确定刺激细胞的最大数量主要是因为没有足够的光功率用于刺激。在2D(二维)空间中,预计可以对超过100个细胞进行同时光刺激,并且在将来,该团队旨在使用双光子刺激将刺激深度扩展到几百微米。

为了观察活细胞,荧光的功率受到限制以避免破坏细胞,因此需要高灵敏度的测量。该团队旨在克服这些问题,并准备新的光学显微镜系统以供实际使用。Matoba教授评论说:“我们获得日本JST CREST Grant编号JPMJCR1755的研究资助,用于制造SIFOM,然后将其应用于神经科学的进一步发展。我们将与各公司合作,将新的光学显微镜引入商业市场。”