No invasivo en 3D de visualización con la Sub-micron resolución mediante sincrotrón de rayos X de la tomografía
May 27th, 2008
Hemos utilizado sincrotrón de rayos X de tomografía en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) de forma no invasiva producir conjuntos de datos 3D tomográfica con un píxel de resolución de 0.7μm. El uso de software volumen renderizado, lo que permite la reconstrucción de las estructuras internas en su estado natural, sin los artefactos producidos por el corte histológico.
Hello.My nombre es Michelle Ov del Laboratorio de Murciélagos de la Universidad de Tubing, y en esta presentación quiero hablar sobre la visualización tridimensional no invasiva de la organización interna de las micro AHR utilizando tomografía de rayos X de sincrotrón con una resolución submicrónica. El sistema modelo con el que estamos trabajando es el ácaro orbitado Aus Long osis, una salida micro COLYER AHR de 800 micras a un milímetro de tamaño corporal. Esta es una foto tomada de toda la cultura de laboratorio donde se puede ver a los animales alimentándose de algas.
Para estudiar la organización interna de Argos, utilizamos radiación de rayos X de sincrotrón para producir datos tomográficos de VOX en el SRF y Grable. Aquí se ve una imagen del ESRF con el gran anillo de almacenamiento y en la esquina superior derecha se ve la sala experimental de ID 19, que se encuentra fuera del anillo Para las mediciones, las muestras se apuntaron críticamente a la derecha y se montaron en alfileres de plástico con superpegamento. Los experimentos se realizaron a 20,5 KEV y se tomaron 1.500 proyecciones para las reconstrucciones.
Aquí se ve la cámara con un chip CCD co-freelance, rango dinámico de 14 bits y cuatro megapíxeles. El simulador que se muestra en la parte inferior de esta imagen traduce los rayos X a la luz visible. Se trata de un primer plano del portamuestras y de la mesa de rotación.
La muestra se monta en el cabezal del medidor Goya para permitir una orientación adecuada de la muestra en el haz. Una descripción detallada de la configuración experimental se da en nuestro artículo de 2007 en el Journal of Microscopy. En esta presentación, me centraré en los analizadores de datos con respecto a la visualización tridimensional utilizando el software Fiji Studio Max.
Primero, le mostraré cómo eliminar los valores de gris del fondo para extraer la información de la muestra. En el histograma, se ve un pico grande, que pertenece principalmente a los valores de gris del fondo. Después de eliminar este pico del histograma, puede ver la muestra que sale del cubo gris.
A continuación, te mostraré cómo rotar el objeto usando el fotograma clave VG studio. Max tiene un conjunto de trayectorias de cámara predefinidas. Aquí utilizo el círculo XY para generar rotación alrededor de las X verticales, y esta es la animación final.
La gran estructura en la parte trasera del animal corresponde a la superficie del superpegamento. Ahora te voy a mostrar cómo configurar un plano de corte virtual para poder tener una visión tridimensional de la organización interna de la muestra. Hay tres orientaciones en las que se puede establecer un plano de corte frontal con celo real.
Aquí utilizo el plano frontal y encuentro una posición de corte en algún lugar en el centro del animal, en la región del, este plano de corte no tiene por qué ser estático. Nuevamente, usando el marco clave, se puede mover a lo largo de cualquier eje. En este ejemplo, utilizo el clip preestablecido Z para mover el plano de corte a lo largo de un eje longitudinal de la muestra, y así es como se ve la animación final paso a paso, puede ver y seguir la organización 3D de todas las estructuras internas con una resolución P de solo 0,7 micras.
Además de las trayectorias de cámara predefinidas, también es posible generar trayectorias de cámara específicas del usuario. Para hacer esto, elija el modo de mirada libre de la cámara y ajuste la cámara y la distancia focal de la lente virtual a cualquier posición deseada. Paso a paso, se pueden definir nuevas posiciones de cámara para seguir un camino individual de cualquier complejidad.
La ventana 3D en la parte superior izquierda muestra el efecto de todos los ajustes de la cámara en tiempo real. El último ejemplo te lleva en un vuelo virtual siguiendo todo el sistema digestivo a través del animal. Aquí se ven algunas partes de la gma, la mina de carbón, el labrum y la rotella.
Nos acercamos y entramos en la boca del animal. Aquí se pueden ver los PHNs en la parte dorsal. Ahora estamos pasando a través del esófago para entrar en los ventriculares.
Nuestros ácaros remachados tienen dos grandes ker. Se trata de estructuras similares con función digestiva. Entramos en el seum derecho.
A través de su pequeña abertura, se pueden ver numerosas celdas IDE. Estos juegan un papel importante en la digestión, aunque la función y el mecanismo completos aún no se comprenden completamente. Volviendo a los ventriculares, vemos una estructura particular, la válvula Isal a través de la cual entramos a los ventriculares hace un minuto, justo en el límite de los ventriculares y el colon.
Se puede ver un toro de comida, que está compactado y rodeado por una membrana atrófica. Detrás del bolo alimenticio, se ve una paleta fecal. Estamos volando a través de esta paleta de FE en este momento.
Después, pasamos el punto y coma corto y entramos en el post colon. Aquí se ve el gran y característico microbiano. Finalmente, aquí se puede ver la superficie interna de las placas de animales en particular, como una paleta de fe.
Salimos del sistema digestivo. Ahora tenemos una breve mirada final en el lado ventral exterior del animal y vemos las placas de un animal, las placas AAL y las placas genitales.
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Visión general
Este estudio presenta un método no invasivo para visualizar la organización interna de las salidas micro AHR utilizando tomografía de rayos X de sincrotrón. La técnica permite imágenes 3D de alta resolución sin los artefactos asociados con los métodos histológicos tradicionales.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Técnicas de imagen
- Microbiología
Antecedentes
- Las salidas micro AHR son organismos pequeños que requieren un análisis interno detallado.
- Los métodos de imagen tradicionales pueden introducir artefactos que oscurecen las estructuras reales.
- La tomografía de rayos X de sincrotrón ofrece una solución con alta resolución.
- El estudio se centra en el ácaro orbitado Aus Long osis como organismo modelo.
Propósito del estudio
- Visualizar las estructuras internas de las salidas micro AHR.
- Demostrar la efectividad de la tomografía de rayos X de sincrotrón.
- Proporcionar información sobre la organización de estos pequeños organismos.
Métodos utilizados
- Tomografía de rayos X de sincrotrón en la Instalación de Radiación de Sincrotrón Europea (ESRF).
- Las muestras fueron secadas en punto crítico y montadas para la imagen.
- La imagen se realizó a 20.5 KEV con 1,500 proyecciones tomadas.
- Se utilizó software de renderizado de volumen para la reconstrucción de datos.
Resultados principales
- Se produjeron conjuntos de datos tomográficos 3D con una resolución de píxel de 0.7µm.
- Las estructuras internas fueron reconstruidas en su estado natural.
- El método evitó con éxito los artefactos del corte histológico.
- Las visualizaciones proporcionaron nuevas perspectivas sobre la organización de las salidas micro AHR.
Conclusiones
- La tomografía de rayos X de sincrotrón es una herramienta poderosa para la imagen no invasiva.
- La técnica mejora nuestra comprensión de las estructuras biológicas pequeñas.
- Los estudios futuros pueden aprovechar este método para diversas aplicaciones en biología.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Non-invasive 3D visualization with sub-micron resolution enables detailed internal structural analysis of micro-scale biological systems without destructive sectioning. This approach supports target validation and mechanistic de-risking in early discovery by providing quantitative morphological data in native state. The method enhances predictive confidence for phenotypic screening and assay development in disease-relevant models where traditional histology fails due to sample size or preparation artifacts.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through 3D reconstruction of internal organ systems in micro-arthropod models.
- Operational Value: Provides non-destructive imaging for unique or limited samples, preserving material for downstream analyses.
- Predictive Value: Supports biological de-risking by visualizing functional anatomy and tissue organization without sectioning artifacts.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative morphology datasets with 0.7µm pixel resolution for precise phenotyping and structural comparison.
- Operational Value: Enables standardized, reproducible volume rendering workflows using key-framed camera trajectories and virtual cutting planes.
- Assay Readiness: Facilitates visualization of complete organ systems (e.g., digestive tract) to inform biomarker selection and functional readout design.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Allows longitudinal tracking of internal structures in disease-relevant systems through animated 3D visualization.
- Mechanistic De-risking: Reveals hidden anatomical features (e.g., intracellular structures, valve mechanisms) to clarify pathophysiological pathways.
- Preclinical Alignment: Supports risk-adjusted advancement decisions by providing artifact-free structural validation across model systems.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows as a non-destructive imaging step following sample preparation and preceding functional assay development, enabling iterative design of target validation studies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by revealing internal organization of micro-scale biological systems.
- Screening: Delivers quantitative 3D outputs suitable for high-content screening platforms requiring sub-cellular resolution.
- Analytics: Enables extraction of morphometric landmarks and volumetric measurements for statistical comparison across experimental conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical validation by providing native-state structural data that correlates with functional phenotypes.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging capability for cross-project application in micro-organismal model systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases target validation confidence by eliminating histological artifacts and preserving native ultrastructure.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized synchrotron protocols and software-driven visualization pipelines.
- Strategic Value: Reduces late-stage failure risk by enabling early detection of structural anomalies in lead candidate models.
- Portfolio Impact: Informs go/no-go decisions through reliable, quantitative structural data in disease-relevant micro-models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in synchrotron radiation safety, tomographic reconstruction, and volume rendering software (e.g., Fiji, VG Studio Max).
- Depends on access to synchrotron facilities (e.g., ESRF) with beamline capabilities for sub-micron resolution imaging at 20.5 keV.
- Necessitates cross-team standardization of sample preparation (critical point drying, mounting) and imaging parameters (1,500 projections, rotation protocols).
- Involves adaptation considerations for varying sample densities, cuticle hardness, and mounting media across micro-arthropod species.
- Limited by sample size constraints (<1 mm) and the need for radiation-stable specimens during prolonged beam exposure.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:18
Introduction
0:38
X-ray radiation tomographic measurements
2:08
Removing the background and extracting the sample information
2:38
Rotating the object using the keyframer
3:25
Setting the virtual plane
4:06
Moving the slice through the object using the keyframer
4:45
User specific camera paths
5:23
Following the digestive system through the whole animal
