紧凑制冷型双光子显微成像系统

为何荧光显微镜需要使用制冷CCD相机？众所周知，荧光显微镜是利用被观测物体发出荧光来进行观测的显微镜。在外部光源的激发下，被检测物体发出荧光，从而进行观察。与普通显微观察不同的是，荧光显微镜并不直接使用外部光源，而是使用被观测物体发出的荧光。相比普通光源，荧光光源的强度要小得多，反映到成像上面，即意味着相比普通显微拍摄的曝光时间，荧光拍摄的曝光时间要长得多。但是，单方面的延长曝光时间，并不能得到好的显微荧光图像，因为随着曝光时间的增强，噪声也大幅度的的增加，严重影响了成像质量。科学家研究发现，由于曝光时间延长而导致的噪声的增加主要来自于CCD产生的暗电流噪声，于是冷CCD应运而生。所谓冷CCD，就是利用一定的制冷技术对CCD芯片进行制冷，让它在较低的温度下进行工作，从而有效的降低暗电流噪声。所以荧光显微镜的图像采集需要配套制冷CCD才能得到满意的图片，因为荧光的强度不足可见光的万分之一，这就决定采集荧光图像的CCD必须具备很高的灵敏度，为了消除图像采集过程中，因亮度不足而出现的噪点，最好采用制冷CCD来完成。无锡超微光学的LC-140A/500A显微荧光成像制冷CCD，是一款研究级的显微荧光成像专用相机，最适用于极弱光和微光的应用及提供最佳颜色还原和灵敏度的显微荧光成像专业用CCD，图像传感器具有高动态范围，优秀的灵敏性，配合12位数据采样输出，并支持2 x 2，4 x 4硬件binning。，具有小型化、操作简单、性能稳定等特点，适用在Nikon，leica，Zeiss，Olympus等显微镜上。提供企业或研究单位在化学发光成像分析、多色荧光成像分析等之研究及应用领域。

[b]摘要[/b]在神经科学和神经外科中对活体大脑组织中神经元的成像能力是一项基本要求。尤其是需求一种具有测微计尺分辨率的大脑形态学的非侵入探针的开发，因为它可以在临床诊断上提供一种非侵入式光学活体组织检查的手段。在这一领域，双光子激光扫描显微镜(2PLSM)是一个强大工具，并已成为活体生物样品最小侵入性损害的高分辨率成像的标准方法。但是，(2PLSM)基于光学方法提供足够分辨率的同时，对荧光染料的需求妨碍了图像对比度的提高。本文中，我们提供了一种活体大脑组织以细胞分辨率的高对比度成像方法，无需荧光探针，使用光学三次谐波发生进行成像。我们利用细胞水平的特殊几何学和大脑组织的液体内容物来获取THG的部分相匹配，提供了一种荧光对比度机制的替代方法。我们发现THG大脑图像允许快速、无侵入性标记的神经元、白质结构、血管同时成像。而且，我们利用THG成像来引导微吸管指向活体组织中指定的神经元。这个工作是一个无标记活体大脑成像的主要步骤，并开启了活体大脑中激光引导的微注射技术发展的可能性。[b]材料与方法[/b]THG成像对于THG成像实验，我们使用了一台商业化双光子激光扫描显微镜([color=#ff0000]TrimScope, Lavision BioTec[/color])。光源是一个光学参量震荡器（Mira-OPO，APE），810nm泵浦光来自一个Ti：Sa锁模激光器(Coherent Chameleon Ultra II)。使用一个20X，0.95N.A水浸物镜(Olympus XLUMPFL-IR)将光聚焦到样品上。使用epidetection几何学描述THG实验。使用分光镜(Chroma T800lpxrxt)将背景散射THG光子从入射激光束中分离出来，用一个THG波段的带通滤波器(Chroma HQ390-70X)过滤。检测器是GaAsP高灵敏度光电倍增管(Hamamatsu H7422-40)，400nm处量子效率为25%。最高分辨率成像(1024×1024像素)的典型获取时间为1.6s，我们用于目标定向实验的512 X 512像素成像时间为0.6s。 为与前向端口比较，使用了一个定制的投射端口。这个端口使用了一个1.4N.A油浸物镜，一个长波分光镜（UQG optics)和一个400nm的相干窄带滤波器。对于THG与SR-101联合实验我们用1200nm的OPO来同时产生两种信号。使用一个594nm带通和561nm隔断的分光镜将SR-101荧光从THG信号中分离。SR-101信号使用一个PMT检测(Hamamatsu H6780-20)。Nile Red和THG成像也是由1200nm的OPO同步激发。在这个案例中THG信号由投射端口测量，Nile Red荧光通过一个593∕40 nm的带宽滤波器检测。对于THG和GFP联合成像，用来泵浦OPO的Ti：Sa激光被调谐到970nm并耦合到显微镜中。组织块的GFP和THG信号使用同一个检测器连续测量。但使用一个不同的(561∕40 nm)带通滤波器检测GFP。使用显微镜软件(Imspector Pro)获取图像并以16bit 的tiff格式存储，图像分析使用Image J(MacBioPhotonics)进行。[b]主要结果[/b] [img=,575,768]http://qd-china.com/uploads/bio-product/21.jpg[/img]Fig. 1.无标记活体大脑的三次谐波显微成像(A)脑组织THG成像的epidetection几何学图示。插图：THG原理。注意基质中没有光学激发发生。(B) 树突处的聚焦激光束。通过将激光聚焦体积设定到树突直径的几倍大小，可以获得部分相匹配，显著的THG信号将会产生。(C)细胞体内的聚焦激光束。由于不好的结构相匹配状态，没有THG信号产生。(D) 小鼠大脑组织的活神经元成像。体细胞以暗影存在。 [img=,466,500]http://qd-china.com/uploads/bio-product/22.jpg[/img]Fig. 2.活体大脑组织的THG成像(A)小鼠皮质的THG图像 (B) 与A同位置的Nile Red染色的双光子荧光图像 (C) 大鼠凹陷的脑回THG图像（水平切面） (D)小鼠脑胼胝体THG图像，轴突纤维束被清晰得分辨。Movie S1是这个结构的一个3D投影 (E)小鼠大脑纹状体的THG图像（冠状面）。白质和神经元细胞清晰可见。明亮的粒状结构是垂直穿行图像平面的轴突纤维。Movie S2是这个区域的3D投影。(F)麻醉活小鼠的脑皮质上层的血管THG图像（z栈平均投影密度是50um） [img=,510,767]http://qd-china.com/uploads/bio-product/23.jpg[/img]Fig. 3. THG与双光子成像的叠加 (A)小鼠额前叶脑皮质的THG图像 (B)SR-101标记的星细胞双光子图像 (C) A、B的叠加提供了神经网络中星细胞的分布信息 (D) 小鼠额前叶皮质的THG图像 (E) GFP标记的生长抑素神经元的双光子荧光图像 (F)D、E的叠加显示了生长抑素神经元在脑前叶皮质结构中的分布 [img=,461,768]http://qd-china.com/uploads/bio-product/24.jpg[/img]Fig. 4.THG成像深度与自动化细胞检测 (A-C) 小鼠额前叶皮质的THG图像，成像深度分别为100, 200, and 300 μm 。每幅图像都是3个以2微米深度间隔独立图像的最大密度投影(D) 110 μm深度处神经元细胞的自动检测THG图像。细胞检测的运算法则定义为以红色显示的神经元 (E)红色标记：来自A-C的图像栈的细胞可见性对比。黑色标记：作为一个深度功能的平均检测到的THG密度。 [img=,531,768]http://qd-china.com/uploads/bio-product/25.jpg[/img]Fig. 5. 无标记目标定向和细胞活性(A)小鼠新大脑皮层的THG图像 (B) 在对一个神经元进行THG引导膜片钳之后同一位置的THG图像 (C)一个200um深处钳住神经元的大视野THG图像（5幅深度间隔2um的图像平均） (D)记录以100pA电流脉冲刺激B中被钳住的神经元的动力势训练 (E) 测量在THG扫描期间静止膜电位的改变。即使以最高的能量，也只观察到4%的电压变化，保持了完全的可逆性。0.8秒的周期相应于图像扫描时间。(F)最大观察到的静止膜电位Vs扫描时的激光能量。没有非线性效应出现。

[b]摘要[/b]从首次感染部位向邻近基质的转移入侵是肿瘤发展过程中的关键步骤，研究成果较少。肿瘤入侵的原理以各种体外模型给出了实验性的表述；但是，体内的关键性步骤和机制仍然不清楚。这里，我们通过落射荧光成像和多光子显微镜建立了一个修正的皮肤折叠室模型来阐述关于HT-1080纤维肉瘤细胞的原位移植，生长和入侵。这种策略允许对作为独立细胞或者集体粘丝或者细胞团沿着富含胶原的细胞外基质和增补宿主组织包括纹状肌肉丝和淋巴管的肿瘤生长、肿瘤诱导血管形成和入侵进行重复成像。这个修正的窗口模型将适用于阐述肿瘤转移和入侵的机制，以及相关的实验性治疗。[b]材料与方法[/b]HT-1080双色纤维肉瘤细胞表达细胞质DsRed2和核组蛋白2B（H2B）-EGFP -EGFP (Yamamoto et al. 2004)培养在改良的鹰培养基(PAN Biotech GmbH, Aidenbach, Germany)中，补充10%的胎牛血清(Aurion, Wageningen, The Netherlands)，盘尼西林和链霉素（都100ug/ml PAN)和潮霉素B（0.2mg/ml；Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)在37%湿润的5%CO2的培养环境中。小鼠被用异氟烷麻醉并被稳定固定在37℃的温控平台上。使用一个落射多光子显微镜[color=red]（[/color][color=red]TriM Scope, LaVision BioTec[/color][color=red]）[/color]，并配备了OPO装置(OPO APE, Berlin, Germany)用于1100nm波段的双光子激发，以及红外修正的20X/0.95N.A(Olympus)物镜。如果没有特定声明，EGFP，DsRed2和SHG的获取都是使用的832nm的激发光。由带通滤波器确定的检测光波段为400/40(蓝），535/50（绿），605/70（红），和710/75（红外）。以5um的步长对深达250um的成像深度进行顺序3D堆栈。通过向尾静脉注射4mg荧光葡聚糖对血管显影。在注射了淋巴归巢环肽LyP-1（100ug）之后活化的淋巴管被检测到。(Laakkonen et al. 2002)图像被使用ImageJ 1.40 g (W. Rasband, NIH), ImSpector 3.4 (LaVision Bio- Tec GmbH), and Photoshop CS 8.0.1 (Adobe Systems Inc.)重构和分析。以宽的平方X长Xπ/6计算肿瘤体积。有丝分裂和细胞凋亡的比例通过H2B-EGFP模式从每区域30到100个细胞中确定。[b]主要结果 [/b][img=,593,498]http://qd-china.com/uploads/bio-product/51.jpg[/img]Fig.1 在背侧皮肤褶皱室中HT-1080纤维肉瘤细胞的滴落和注射方法比较.6（c）、7（d）天后通过明场和落射荧光显微镜观察的细胞应用，生长位置（a，b）和宏观肿瘤形态。在建立的模型中，允许细胞悬浮液或者细胞球粘附到外科手术准备好的真皮组织表面上，获得了在真皮层与盖玻片（a.c）间的3D肿瘤生长。使用细针将细胞球注射进真皮中阻止盖玻片和真皮内产量增加间的反应（b,d)。标尺1mm（概图）和250um（细节）。 [img=,604,379]http://qd-china.com/uploads/bio-product/52.jpg[/img]Fig 2. 肿瘤生长阶段。 a 由落射荧光显微镜监测的移植瘤生长和入侵的时间进程。新生血管的插入，不存在（3天）和存在（7天）。标尺1mm。b 通过以day 1的体积进行归一化的肿瘤体积。mean+-SD（n=9）。c HT-1080移植肿瘤在6天的时候的肿瘤形态，血管化，分生和凋亡。使用多光子显微镜以激发波长1100nm（左）和832nm（右）获取的一个中央中流区域的3D重构。核形态包括了有丝分裂（白色箭头）和凋亡图（黑色箭头）。标尺50um。插图显示了前相（P）、中相（M）和后相（LA）以及凋亡图（A）。d 对时间依赖的分生和凋亡定量化。数据显示3个非依赖性肿瘤的10-25个独立区域的Mean±SEM。 [img=,617,642]http://qd-china.com/uploads/bio-product/53.jpg[/img]Fig 3. 近红外多光子显微镜显示环绕HT-1080双色肿瘤的肿瘤诱导产生血管及其结构。Z轴为一个6天大肿瘤的从肿瘤边缘（-50um）到肿瘤内部区域（-80um）（红色细胞质；黄色细胞核）。通过FITC-葡聚糖注射现实的密布血管（绿），先前存在的线形血管（绿色箭头）和不规则形状的新生血管（蓝色箭头）。胶原纤维（黑色箭头）和肌肉丝（白色箭头），通过二次谐波检测（灰度）。标尺50um。 [img=,583,768]http://qd-china.com/uploads/bio-product/54.jpg[/img]Fig 4. HT-1080双色细胞的原位入侵模型。a 注射后6天入侵类型的分类。缺少入侵（上，左）并且散布单个细胞（上，右；白色箭头），散射的或者紧密地丝状整体入侵（下图）。标尺250um。 b 45个连续的非依赖性肿瘤的按中所分入侵模式的频率。11天时，沿着纹状肌肉纤维集体入侵丝的定位。标尺100um。d 单一细胞侵入脂肪组织随后进行分散的，部分整体的入侵。对照-少量圆的脂肪细胞（星号）被HT-1080细胞包围。1100nm的激发光来检测遍布的血管(Alexa Fluor 660-dextran,红色),，肿瘤细胞质（绿色假彩），SHG（灰度）；832nm用于肿瘤细胞核（白色）。标尺100um。[img]http://qd-china.com/uploads/bio-product/55.jpg[/img]Fig 5. HT-1080细胞沿淋巴管的入侵。a 由多光子显微镜对边缘而非肿瘤中心的活化淋巴管产生的单幅图片。用FITC连接的LyP-1缩氨酸来检测。深度已标明在图上（um）。b 3D堆栈投影表明淋巴管内（白色箭头）和外淋巴管入侵（黑色箭头）。标尺100um。