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对生理病理过程的全面理解需要在不同空间和时间尺度上进行非侵入性活体三维(3D)成像。然而，巨大的数据吞吐量、光学非均匀性、表面不规则性和光毒性带来了巨大的挑战，导致不可避免地在体积大小、分辨率、速度、样品健康和系统复杂性之间进行权衡。
2024年9月13日，清华大学戴琼海、郭增才、吴嘉敏共同通讯在Cell 在线发表题为“Long-term mesoscale imaging of 3D intercellular dynamics across a mammalian organ”的研究论文，该研究介绍了一种紧凑的实时、超大规模、高分辨率3D介肠镜(RUSH3D)，在20 Hz的低光毒性下，在8,000×6,000×400 μm3的体积上实现了2.6×2.6×6 μm3的均匀分辨率。
通过集成多种计算成像技术，RUSH3D将数据吞吐量提高了13倍，并将系统尺寸和成本降低了几个数量级。利用这些优势，研究人员们观察了运动前神经活动和小鼠皮层的跨天视觉表征漂变，小鼠腹股沟淋巴结中多个生发中心的形成和进展，以及创伤性脑损伤后的异质免疫反应—所有这些都是在单细胞分辨率下进行的，为在器官水平上进行大规模细胞间相互作用的活体中尺度研究开辟了视野。生命的壮丽是由数以百万计的细胞精心编织而成的，这些细胞通过它们自身环境中复杂的信号通路网络相互联系。观察这些细胞间的相互作用拓宽了人们对中尺度生命之谜的理解。这样的例子比比皆是，例如监测免疫细胞的相互作用和迁移以破译免疫反应，或跟踪跨皮层的信息流以理解感知、认知和其他复杂行为尽管在形态和功能上存在差异，但这些现象在小鼠体内同样跨越近厘米尺度的三维空间，将数千个微米尺度的细胞编织在一起，谱写出一曲生命的交响曲。因此，具有厘米级视场(FOV)、单细胞分辨率和3D成像能力的介肠镜，以及与生理相关的时间分辨率和低光毒性，是活体荧光成像的支点。然而，挑战是多方面的，植根于光学的物理限制和复杂的活体环境，导致缺乏普遍可及的活体介肠镜。首先，尺度相关的光学像差阻碍了光学系统在大视场范围内实现高分辨率的能力。其次，组织中折射率的不均匀分布会产生空间变化的动态像差，从而降低成像性能以及阻碍对细胞位置和功能的准确探测。第三，堆积细胞内光散射产生的背景污染降低了对比度和保真度。虽然结合非线性激励或选择性照明可以减轻这些污染，但这些补充要么牺牲了大FOV的生理相关时间分辨率，要么难以用于哺乳动物。因此，为了揭示多尺度的生理病理调节和相互作用，可行的、可靠的、可扩展的3D高分辨率介观镜设计仍然是一个挑战，无论是在概念上还是在实践上。在这里，作者介绍了RUSH3D，这是一种计算活体荧光介观仪，具有厘米尺度的视场，高时空分辨率，3D分辨率，低光毒性，以及在复杂环境下的像差鲁棒性，具有紧凑，经济的框架。通过系统集成扫描光场成像、数字自适应光学(DAO)、多尺度背景抑制(MBR)、自动对焦等多种技术，RUSH3D实现了哺乳动物器官中数千个细胞在不同生理病理状态下的集体行为的时空多尺度成像，数据吞吐量提高了数量级。通过开发波光学DAO (wDAO)，可以在不降低数据采集速度的情况下同时校正空间非均匀系统像差和RMS误差高达6个波长的环境像差。因此，RUSH3D在20 Hz的长时间内实现了均匀的单细胞分辨率，约为2.6×2.6×6 μm3，体积为8×6×.4 μm3，系统尺寸和成本减少了两个数量级。该研究展示了RUSH3D在不同物种(包括斑马鱼、水母和小鼠)中的保真度和广泛应用。在神经科学方面，在小鼠中实现了单细胞分辨率的全皮层3D神经记录，并开发了一种稀疏种子迭代去混(SSID)算法，用于有效的畸变校正神经元信号提取。在多感觉交互和行为状态转换过程中，观察到不同的神经动力学，如一致的准备活动预测运动的开始，并研究了3天内皮质范围内的表征漂移。在免疫学方面，可视化了多个生发中心(GCs)的形成过程，并通过10小时内对成千上万的T细胞和B细胞的高速跟踪，确定了免疫反应期间T细胞在多个GCs中的迁移。在病理学方面，通过清除的颅骨，通过皮质范围的校正监测，表征了创伤性脑损伤(TBI)后中性粒细胞的反向跨内皮迁移。综上所述，RUSH3D可以作为一种普遍可用的工具，用于在哺乳动物器官中进行大规模细胞间相互作用的活体中尺度研究。
参考消息：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00917-6
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