Light 动态全场光学相干层析成像：视网膜类器官的3D活体成像学术资讯

来源：两江科技评论

导读

近日，法国索邦大学Kate Grieve教授团队与法国巴黎郎之万研究所研究人员合作，提出了一种动态的全场光学相干层析技术，其能对活体诱导的多能干细胞衍生的视网膜类器官进行非侵入性成像，这是视网膜及视网膜疾病研究的重大突破。该方法可以产生具有与细胞器运动性相关的内源性对比的彩色图像，具有亚微米级的空间分辨率和毫秒级的时间分辨率，从而为通过其功能识别活体组织中特定细胞类型开辟了道路。该文章已于近日发表在国际顶尖学术期刊Light: Science & Applications，题为“Dynamic full-field optical coherence tomography: 3D live-imaging of retinal organoids”。

研究背景

在亚细胞尺度上对人体及其机制的理解仍然是一个开放的研究领域。在17世纪，人们第一次用显微镜直接在人、动物和细菌上对生命进行检查。之后，19世纪末，细胞培养开始取代体内研究，这种体外模型有利于理解不同环境中的生物现象。早期受细胞培养的二维限制，理解组织和器官作为一个整体的可能性是有限的。最近，从干细胞中发展出了三维(3D)细胞培养用来产生类器官，可以模拟多种组织，并可以用作人类发育的模型和疾病研究。

针对各种生物趋势，光学成像设备是生物学、临床病理和医学诊断中最基本的工具之一，已被开发和优化，用于组织、细胞培养和器官类组织成像。在3D结构成像中有很多挑战：比如由于生物体中相对透明的特性，不染色很难对特定结构进行对比。此外，三维样本需要光学切片，以区分聚焦层和非聚焦层。这里，研究人员将动态全场光学相干层析应用于人体诱导的多能干细胞（hiPSC）衍生的视网膜器官成像中（图1，实验装置图）。

图1 实验装置

在这种hiPSC衍生的视网膜类器官成像的常规方法中，各自有很多缺陷。比如：需要固定或者机械切片，从而导致无法进行动态研究；标签的准备导致繁琐且成本的增加；缺乏功能对比，因此只指示细胞的存在，而不指示细胞的健康状况或行为。

光学相干层析成像(OCT)是生物医学中常用的组织微观结构的三维成像技术。传统OCT的主要缺点是要在成像深度和分辨率之间进行取舍。为了提高横向分辨率，必须增大系统的数值孔径，结果导致视场深度降低，只有一小层样本可以成像。目前，OCT系统的横向分辨率在10微米量级，这远远不能满足细胞结构的观察。

时域全场OCT(FFOCT)是利用非相干光源和摄像机的一种OCT变体，具有较高的时空分辨率。由于FFOCT在深度方向上可以获得一个平面图像而不仅仅是一条线，数值孔径可以任意增大，而不会对成像深度造成任何不利影响。

创新研究

在本实验装置中（图1），研究人员通过测量背景散射光的时间波动，探索了一种全新的对比机制，称为动态FFOCT（D-FFOCT）。这些动态测量揭示了亚细胞结构是非常弱的反向散射体，并提供了基于局部细胞内运动的亚微米分辨率的对比，可以达到毫秒的时间分辨率来研究快速现象。

研究人员在HSV色彩空间中计算，可以在同一平面上获得一系列动态图像（图2），以时间推移的方式跟踪几个小时内活动的演变，时间分辨率可达20ms。在一个28天球形视网膜器官样本的3D重建中（图3），空间分辨率可以达到亚微米级。

图2 HSV色彩空间中样本动态图像。图像亮度与波动幅度有关，而颜色与波动速度有关，从蓝色(慢)到红色(快)再到绿色(中间)。比例尺：50微米。

图3 用D-FFOCT成像hiPSC衍生的视网膜类器官。a: 28天球形视网膜器样本的3D重建。b: 表示a(蓝色方块)的一个亚体积，c: 表示a(绿色虚线)的一个横截面，在这里可以看到视网膜器官样体内部各层的组织。比例尺：20微米。

D-FFOCT可以在多个深度对不同层进行成像（图3c），同时保持样品的完整性，既不使用外源标记也不使用破坏方法，因此适合跟踪器官体在其发展的不同阶段的演化(图四)。D-FFOCT为视网膜类器官创造了一种新的无标签，非侵入性的成像方式。由于这项技术不会损伤样本，它可以作为传统成像的补充，甚至可以取代传统的成像方式。

图4 3小时延时采集期间的两个不同区域的有机体

来源：imeta-center 两江科技评论

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