還記得5月那臺(tái)被日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)送入太空的徠卡顯微鏡嗎?
圖1 JAXA發(fā)布了該新聞(新聞來(lái)源:JAXA)
JAXA近公開(kāi)了這次太空旅行的DMi8顯微系統(tǒng)配置細(xì)節(jié)。到達(dá)空間站后,科學(xué)家們利用這臺(tái)顯微系統(tǒng)開(kāi)始了他們的測(cè)試之旅,那么他們又做了哪些研究呢?
DMi8抵達(dá)空間站并開(kāi)展活細(xì)胞觀察
近年來(lái),生物機(jī)體的重力感應(yīng)機(jī)制研究和用于再生醫(yī)學(xué)的高功能器官培養(yǎng)技術(shù)已成為重要的研究課題,其中活細(xì)胞活體的三維觀察是一個(gè)至關(guān)重要的研究方向。
JAXA選擇了徠卡DMi8電動(dòng)倒置顯微鏡作為系統(tǒng)平臺(tái),并將DMi8安裝在空間站日本實(shí)驗(yàn)倉(cāng)“KIBO”中,由“KOUNOTORI” H-II運(yùn)載火箭運(yùn)送,該運(yùn)載火箭已于5月26日到達(dá)空間站;并且完成了一定階段的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
為了滿足太空作業(yè)的要求,以及進(jìn)行活細(xì)胞三維觀察的目的,以DMi8為顯微平臺(tái),經(jīng)過(guò)改造和搭配多種功能配件,整合出全新的用于生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng),命名為COSMIC。
圖2 JAXA送入太空作業(yè)的Leica DMi8結(jié)構(gòu)示意圖
該系統(tǒng)由經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)的多種組件組成,機(jī)身選擇了Leica DMi8倒置熒光顯微鏡,針對(duì)太空作業(yè)目的做了部分改造。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康目梢愿鼡Q物鏡和熒光濾光片,并且操作部分(如鏡臺(tái),物鏡轉(zhuǎn)盤,自動(dòng)對(duì)焦,熒光濾鏡轉(zhuǎn)盤和聚光鏡)都是電動(dòng)的。
細(xì)胞樣品附著在根據(jù)實(shí)驗(yàn)制造的樣品容器支架上,并裝載在顯微鏡載物臺(tái)上?,F(xiàn)有的支架可用于微孔板,而附著的細(xì)胞可用于DCC(一次性培養(yǎng)箱)。加熱室配有兩個(gè)DCC,可以在溫度控制下進(jìn)行觀察。
圖3樣品在顯微鏡載物臺(tái)上的具體放置
系統(tǒng)還配置了Nipo轉(zhuǎn)盤式共聚焦掃描頭和高靈敏度sCMOS相機(jī),可以對(duì)熒光樣品進(jìn)行高清三維成像。并配備了用于快速活細(xì)胞觀察的三個(gè)激光器,可以針對(duì)多種熒光染料進(jìn)行觀察。此外,系統(tǒng)中內(nèi)置的分屏成像系統(tǒng)使一臺(tái)高靈敏度相機(jī)可以同時(shí)分屏捕獲具有不同波長(zhǎng)的兩種熒光,并且可以對(duì)高速現(xiàn)象和FRET(熒光共振能量轉(zhuǎn)移)進(jìn)行雙色同時(shí)觀察。
圖4 空間站中完成的活細(xì)胞FRET實(shí)驗(yàn),圖為紅綠雙色同時(shí)成像
此外,DMi8上的自動(dòng)對(duì)焦保證了長(zhǎng)時(shí)間觀察而不會(huì)失焦。此外,當(dāng)與加熱培養(yǎng)箱結(jié)合使用時(shí),可以保持適合培養(yǎng)的溫度環(huán)境,同時(shí)穩(wěn)定地進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間活細(xì)胞觀察。
圖5 以DMi8為平臺(tái)改造搭建的COSMIC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
太空活細(xì)胞實(shí)驗(yàn)操作流程簡(jiǎn)介
那么太空上具體是如何操作實(shí)驗(yàn)的呢?地球上的科學(xué)家又是如何獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的呢?
是這樣的,這套實(shí)時(shí)顯微成像系統(tǒng)整體經(jīng)由面部緊固件安裝在“Kibo”機(jī)艙區(qū)域的墻壁上。將細(xì)胞樣品在細(xì)胞培養(yǎng)裝置中于若干µG~2G范圍內(nèi)的各種重力環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng),并在顯微鏡下觀察其效果。觀察時(shí),工作人員將樣品放在顯微鏡上,并根據(jù)地面指令遠(yuǎn)程進(jìn)行觀察。捕獲的圖像數(shù)據(jù)被暫時(shí)保存在控制PC的軌道中,并通過(guò)地面指令將其傳輸?shù)降孛妗?/span>
圖6 太空活細(xì)胞實(shí)驗(yàn)流程示意圖
DMi8全電動(dòng)倒置顯微鏡
l 全電動(dòng)操作,智能人機(jī)交互操控,包括全電動(dòng)DIC控制——智能電動(dòng)化更適用于地球指令太空遠(yuǎn)程操控;
l 徠卡高精度閉環(huán)調(diào)焦技術(shù):Z軸步進(jìn)3.8nm,重復(fù)精度20nm——助力更的三維斷層掃描;
l 堅(jiān)如磐石的機(jī)身鏡架,配搭自動(dòng)聚焦功能和AFC自適應(yīng)追焦系統(tǒng)——為活細(xì)胞提供更穩(wěn)定的焦面;
l 快速的EFW熒光切換技術(shù):濾色片21ms切換,可配置2ns高速光閘的LED激發(fā)光源——更適合捕捉活細(xì)胞的快速變化;
l 更高熒光透過(guò)的光路效率,有效降低光毒性;可作長(zhǎng)達(dá)幾天的多位點(diǎn)活細(xì)胞連續(xù)成像且不影響生命活性;
l 雙無(wú)限遠(yuǎn)擴(kuò)展接口 (T-House),側(cè)面和后出口均有光口自由進(jìn)入熒光光路,左右側(cè)面及上下均可接相機(jī)及其他成像設(shè)備;更強(qiáng)大靈活的光路,可搭建多種功能擴(kuò)展模塊。
DMi8適用于:
活細(xì)胞觀察:多種反差觀察方法可選(PH,DIC,RC),靈活的功能配件可供選擇。
活細(xì)胞熒光觀察:反映特異性底物的定性,定位,定量關(guān)系。
長(zhǎng)達(dá)幾天的多位點(diǎn)活細(xì)胞連續(xù)成像;多孔多位點(diǎn)的高內(nèi)涵活細(xì)胞成像。