香港大学生物医学工程学院开发新颖的3D成像技术， 以提高荧光显微镜的效率并突破活细胞研究的边界

数十年来，科学家一直在使用荧光显微镜来研究生物细胞和生物的内部运作。但是，这些平台中的许多平台通常太慢，无法跟随3D的生物学作用。并在强光照射下对生物样本造成破坏。

为了应对这些挑战，由香港大学（HKU）电气与电子工程学系副教授兼生物医学工程学学士学位课程主任的Kevin Ksia博士领导的研究团队开发了一种新的光学成像技术。 -编码光片阵列显微镜（CLAM）?可以高速执行3D成像，并且省电且轻巧，可以在扫描过程中以现有技术无法达到的水平保存活体标本。

这项先进的成像技术最近发表在《光：科学与应用》上。这项创新已经提交了美国专利申请。

“ CLAM允许以高帧速率进行3D荧光成像，可与最新技术相媲美（每秒约10倍的体积）。更重要的是，它具有更高的功率效率，比科学实验室中广泛使用的标准3D显微镜要轻1000倍，这大大减少了扫描过程中对活体标本造成的损坏。

现有的3D生物显微镜平台速度很慢，因为必须依次扫描标本的全部体积并逐点，逐行或逐平面成像。在这些平台中，单个3D快照需要在标本上重复照明。标本的照明强度通常是日光的数千至百万倍。它很可能会损坏标本本身，因此不利于对诸如解剖学，发育生物学和神经科学等多种应用的长期生物成像。

此外，这些平台通常会很快用尽有限的荧光“预算”，这是荧光灯只能在有限的时间内被照亮才能在称为“光漂白”的过程中永久消失之前产生的基本限制。可以对一个样本执行多少图像采集。

样品上的重复照明不仅会加速光致漂白，还会产生过多的荧光，最终无法形成最终图像。因此，荧光“预算”在这些成像平台上大大浪费了。”

CLAM的核心是使用一对平行反射镜将单个激光束转换成高密度的“光片”阵列，以在大范围的样品上扩展荧光激发。

“整个3D体积内的图像被同时捕获（即并行化），而无需按其他技术的要求逐点或逐行或逐平面扫描样品。CLAM中的这种3D并行化可以在不牺牲灵敏度和速度的情况下实现非常柔和，高效的3D荧光成像，”该博士后研究人员任玉轩博士指出。CLAM在降低效果方面也优于普通的3D荧光成像方法。光漂白。

为了在CLAM中保持图像分辨率和质量，团队转向了码分复用（CDM），这是一种图像编码技术，已广泛应用于电信领域，用于同时发送多个信号。

黎国Dr博士解释说：“这种编码技术使我们能够使用2D图像传感器同时捕获和数字重建3D中的所有图像堆栈。CDM以前从未在3D成像中使用过。我们采用了这项技术，并取得了成功。” ，是开发该系统的另一位博士后研究员。

作为概念验证的演示，该团队应用CLAM以每秒超过10体积的体积速率捕获微流体芯片中快速微粒流动的3D视频。

“ CLAM对成像速度没有根本限制。唯一的限制来自系统中使用的检测器（即用于拍摄快照的相机）的速度。随着高速相机技术的不断发展，CLAM始终可以挑战其极限，以实现更高的扫描速度，”发起这项工作的博士后吴江来博士强调说。

该团队进一步采取了行动，将CLAM与HKU LKS医学院新开发的组织清除技术相结合，以高帧频对小鼠肾小球和肠血管系统进行3D可视化。

“我们预计，这种组合技术可以扩展到档案生物学样本的大规模3D组织病理学研究，例如在大脑中绘制细胞组织以进行神经科学研究。” 蔡医生说。

“由于CLAM成像比其他所有方法都要温和得多，因此它独特地有利于对处于生命形式的生物样本进行长期和连续的'监视'。这可能会影响我们在细胞生物学许多方面的基本理解，例如不断跟踪动物胚胎如何发育成成年形式；实时监控细胞/生物如何被细菌或病毒感染；看看药物如何杀死癌细胞以及当今现有技术无法完成的其他挑战性任务。”

CLAM可以通过最少的硬件或软件修改就适用于许多当前的显微镜系统。利用此优势，该团队计划进一步升级当前的CLAM系统，以进行细胞生物学，动植物发育生物学研究。

该项目是香港大学工程学院和李嘉诚医学院的跨学科合作。它由香港特别行政区研究资助局，创新和技术支持计划，香港大学的大学发展基金和中国自然科学基金会资助。