לא פולשני-3D ויזואליזציה עם תת מיקרון החלטה שימוש Synchrotron-X-ray-טומוגרפיה
27 במאי 2008
השתמשנו synchrotron רנטגן טומוגרפיה במתקן האירופי קרינה Synchrotron (ESRF) אל הלא פולשני לייצר 3D מערכי נתונים טומוגרפית עם רזולוציה פיקסל של 0.7μm. באמצעות עיבוד תוכנה נפח, זה מאפשר את שיקום מבנים פנימיים במצב הטבעי שלהם, ללא חפצים המיוצר על ידי חתך היסטולוגית.
שלום. שמי מישל אוב (Michelle Ov) ממעבדת העטלפים באוניברסיטת טינגן, ובמצגת זו אני רוצה לדבר על ויזואליזציה תלת-ממדית לא פולשנית של הארגון הפנימי של טרטיגראדס מיקרוסקופיים באמצעות טומוגרפיית קרני X בסינכרוטרון ברזולוציה סוב-מיקרונית. מערכת המודל שבה אנו עובדים היא קרציית המים *Aus Long osis*, טרטיגראד מיקרוסקופי שגודל גופו נע בין 800 µm ל-1 mm. זוהי תמונה שצולמה מתרבית במעבדה שלנו, שבה ניתן לראות את בעלי החיים ניזונים מאצות.
כדי לחקור את הארגון הפנימי של Argos, אנו משתמשים בקרינת רנטגן של סינכרוטרון להפקת נתוני VOX טומוגרפיים ב-SRF וב-Grable. כאן ניתן לראות תמונה של ה-ESRF עם טבעת האחסון הגדולה, ובפינה הימנית העליונה ניתן לראות את אולם הניסויים של ID 19, הממוקם מחוץ לטבעת. לצורך המדידות, הדגימות נחתכו בנקודה קריטית והורכבו על פינים מפלסטיק באמצעות דבק מהיר. הניסויים נערכו ב-20.5 KEV, ונלקחו 1,500 היטל (projections) לצורך השחזורים.
כאן ניתן לראות את המצלמה עם שבב CCD מסוג co freelance, טווח דינמי של 14 bit וארבעה מגה-פיקסלים. הסימולטור המוצג בתחתית תמונה זו מתרגם קרני x-rays לאור נראה. זהו תמונת תקריב של מחזיק הדגימה ושולחן הסיבוב.
הדגימה מותקנת על ראש המד של ה-Goya כדי לאפשר אוריינטציה נכונה של הדגימה בקרן. תיאור מפורט של מערך הניסוי מופיע במאמר שלנו משנת 2007 ב-Journal of Microscopy. במצגת זו, אתמקד במנתחי נתונים בהקשר של ויזואליזציה תלת-ממדית באמצעות התוכנה Fiji Studio Max.
ראשית, אראה לכם כיצד להסיר את ערכי האפור מהרקע כדי להוציא את המידע של הדגימה. בהיסטוגרמה ניתן לראות שיא גדול אחד, השייך בעיקר לערכי אפור מהרקע. לאחר הסרת שיא זה מההיסטוגרמה, ניתן לראות את הדגימה בולטת מתוך קוביית האפור.
בשלב הבא, אראה לכם כיצד לסובב את האובייקט באמצעות ה-key framer של VG studio. לתוכנה יש סט של מסלולי מצלמה מוגדרים מראש. כאן אני משתמש ב-XY circle כדי ליצור סיבוב סביב ציר ה-Xs האנכי, וזוהי האנימציה הסופית.
המבנה הגדול בחלקו האחורי של בעל החיים תואם לפני השטח של הדבק המהיר. כעת אראה לכם כיצד להגדיר מישור חיתוך וירטואלי כדי שנוכל להבקיע מבט תלת-ממדי אל הארגון הפנימי של הדגימה. קיימות שלוש אוריינטציות שבהן ניתן להגדיר מישור חיתוך: פרונטלי, סגיטלי ואקסיל.
כאן אני משתמש במישור הפרונטלי ומוצא מיקום חיתוך איפשהו במרכז בעל החיים, באזור ה-, מישור חיתוך זה אינו חייב להיות סטטי. שוב, באמצעות ה-key framer, ניתן להזיזו לאורך כל ציר. בדוגמה זו, אני משתמש ב-preset clip Z כדי להזיז את מישור החיתוך לאורך ציר אורך של הדגימה, וכך נראית האנימציה הסופית שלב אחר שלב, שבה ניתן לראות ולעקוב אחר הארגון התלת-ממדי של כל המבנים הפנימיים ברזולוציה של 0.7 microns בלבד.
בנוסף למסלולי המצלמה המוגדרים מראש, ניתן גם ליצור נתיבי מצלמה מותאמים אישית. כדי לעשות זאת, בחרו במצב צפייה של מצלמה חופשית והתאימו את המצלמה ואת מרחק המוקד של העדשה הווירטואלית לכל מיקום רצוי. שלב אחר שלב, ניתן להגדיר מיקומי מצלמה חדשים כדי לעקוב אחר נתיב אישי בכל רמת מורכבות.
חלון התלת-ממד בצד שמאל למעלה מציג את ההשפעה של כל הגדרות המצלמה בזמן אמת. הדוגמה הסופית לוקחת אתכם בטיסה וירטואלית העוקבת אחר מערכת העיכול המלאה בתוך בעל החיים. כאן ניתן לראות חלקים מה-gma, ה-colliery, ה-labrum וה-rotella.
אנו מתקרבים ונכנסים לפיו של בעל החיים. כאן ניתן לראות את ה-PHNs בצד הגבי. כעת אנו עוברים דרך הוושט כדי להיכנס לחדרים.
לקריות המנוקדות שלנו יש שניים קר. אלו הם מבנים דמויי-סליקס בעלי תפקוד עיקרי של עיכול. אנו נכנסים לסאום הימני.
דרך הפתח הקטן ניתן לראות תאי IDE רבים. תאים אלו ממלאים תפקיד חשוב בעיכול, אף שהתפקוד והמכניזם המלאים עדיין אינם מובנים לחלוטין. בחזרה אל החלליים (ventriculars), אנו רואים מבנה מסוים, השסתום Isal, שדרכו נכנסנו למעשה לחלליים לפני דקה, ממש בגבול שבין החלליים למעי הגס (colon).
ניתן לראות בול מזון, הדחוס ומוקף בממברנה אטרופית. מאחורי בול המזון, ניתן לראות פלטה צואתית. אנו טסים כעת דרך פלטה זו.
לאחר מכן, עברנו דרך המעי הגס הקצר ונכנסנו למעי הגס. כאן ניתן לראות את המיקרוביום הגדול והמאפיין. לבסוף, ניתן לראות כאן את הפנימיות של לוחות החיות הספציפיים, בדומה לפלטה.
אנו עוזבים את מערכת העיכול. כעת נבצע מבט אחרון וקצר על הצד הבטני החיצוני של בעל החיים ונראה את לוחות הגוף, לוחות ה-AAL ואת לוחות המין.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג שיטה לא פולשנית להדמיה של הארגון הפנימי של תוצרי micro AHR באמצעות טומוגרפיה של קרני X בסינכרוטרון. הטכניקה מאפשרת הדמיה תלת-ממדית ברזולוציה גבוהה ללא הארטיפקטים הנלווים לשיטות היסטולוגיות מסורתיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- טכניקות דימות
- מיקרוביולוגיה
רקע
- תוצרי Micro AHR הם אורגניזמים קטנים הדורשים ניתוח פנימי מפורט.
- שיטות דימוי מסורתיות עלולות להכניס ארטיפקטים המטשטשים מבנים אמיתיים.
- טומוגרפיית סינכרוטרון בקרני X מציעה פתרון בעל רזולוציה גבוהה.
- המחקר מתמקד בקרצייה *Aus Long osis* כאורגניזם מודל.
מטרת המחקר
- להדמיית המבנים הפנימיים של תוצרי micro AHR.
- להדגמת היעילות של טומוגרפיה בקרני X בסינכרוטרון.
- לספק תובנות לגבי הארגון של אורגניזמים קטנים אלו.
שיטות שהשתמשו בהן
- טומוגרפיה של קרני X בסינכרוטרון במתקן הקרינה הסינכרוטרונית האירופאי (ESRF).
- הדגימות עברו ייבוש בנקודה קריטית והורכבו לצורך הדמיה.
- ההדמיה בוצעה ב-20.5 KEV עם 1,500 היטלי צילום שנלקחו.
- תוכנה לרינדור נפחי שימשה לשחזור הנתונים.
תוצאות עיקריות
- הופקו מערכי נתונים טומוגרפיים בתלת-ממד עם רזולוציית פיקסלים של 0.7µm.
- מבנים פנימיים שוחזרו במצבם הטבעי.
- השיטה מנעה בהצלחה ארטיפקטים הנובעים מחיתוך היסטולוגי.
- הוויזואליזציות סיפקו תובנות חדשות לגבי הארגון של פלטי micro AHR.
מסקנות
- טומוגרפיה של קרני X במקור סינכרוטרון היא כלי רב עוצמה לדימוי לא פולשני.
- הטכניקה משפרת את הבנתנו לגבי מבנים ביולוגיים קטנים.
- מחקרים עתידיים יכולים לנצל שיטה זו ליישומים שונים בביולוגיה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ויזואליזציה תלת-ממדית לא פולשנית ברזולוציה סוב-מיקרונית מאפשרת ניתוח מבני פנימי מפורט של מערכות ביולוגיות בקנה מידה מיקרוסקופי ללא צורך בחיתוך הרסני. גישה זו תומכת בתיקוף של מטרות ובצמצום סיכונים מכניסטיים בשלבי הגילוי המוקדמים, על ידי אספקת נתונים מורפולוגיים כמותיים במצבם הטבעי. השיטה מגבירה את הביטחון החזוי בסריקה פנוטיפית ובפיתוח בדיקות במודלים רלוונטיים למחלות, שבהם היסטולוגיה מסורתית נכשלת בשל גודל הדגימה או ארטיפקטים של הכנה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פארמצבטיים
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות באמצעות שחזור תלת-ממדי של מערכות איברים פנימיות במודלים של מיקרו-ארתרופודים.
- ערך תפעולי: מספק דימות לא-הרסני עבור דגימות ייחודיות או מוגבלות, ובכך משמר את החומר לצורך ניתוחים המשכיים.
- ערך חיזוי: תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי ויזואליזציה של אנטומיה תפקודית וארגון רקמות ללא ארטיפקטים של חיתוך.
סקר ופיתוח בדיקה (Assay)
- ערך מדעי: מייצר מערכי נתונים מורפולוגיים כמותיים ברזולוציית פיקסל של 0.7µm לצורך פנוטיפויזציה מדויקת והשוואה מבנית.
- ערך תפעולי: מאפשר תהליכי עבודה סטנדרטיים וניתנים לשחזור של רינדור נפחי באמצעות מסלולי מצלמה מוגדרי מפתחות (key-framed) ומישורי חיתוך וירטואליים.
- מוכנות לבדיקה: מקל על ויזואליזציה של מערכות איברים שלמות (למשל, מערכת העיכול) כדי להנחות את בחירת הסמנים הביולוגיים ותכנון הקריאה הפונקציונלית.
מחקר טרנסלציונלי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מאפשרת מעקב ארוך-טווח של מבנים פנימיים במערכות רלוונטיות למחלה באמצעות ויזואליזציה תלת-ממדית מונפשת.
- הפחתת סיכונים מכניסטית: חושפת מאפיינים אנטומיים נסתרים (למשל, מבנים תוך-תאיים, מנגנוני שסתומים) כדי להבהיר מסלולים פתופיזיולוגיים.
- הלימה פרה-קלינית: תומכת בהחלטות קידום מבוססות ניהול סיכונים על ידי אספקת תיקוף מבני נקי מארטיפקטים במערכות מודלים שונות.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת בתהליכי עבודה של שלבי גילוי מוקדמים כשלב של דימוי לא-הורס לאחר הכנת הדגימות ולפני פיתוח בדיקות תפקודיות, ובכך מאפשרת תכנון איטרטיבי של מחקרים לתיקוף מטרות.
- ביולוגיה גילויית: תומכת בבדיקת היפותזות ובהבהרת מסלולים על ידי חשיפת הארגון הפנימי של מערכות ביולוגיות בקנה מידה מיקרוסקופי.
- סריקה: מספקת פלטים תלת-ממדיים כמותיים המתאימים לפלטפורמות סריקה בעלות תוכן גבוה הדורשות רזולוציה תת-תאית.
- אנליטיקה: מאפשרת הפקת נקודות ציון מורפומטריות ומדידות נפח לצורך השוואה סטטיסטית בין תנאי ניסוי שונים.
- מחקר תרגומי: מקשרת לתיקוף פרה-קליני על ידי אספקת נתונים מבניים במצבם הטבעי המתואמים עם פנוטיפים פונקציונליים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת יכולת דימות לשימוש חוזר ליישום חוצה-פרויקטים במערכות מודל של מיקרואורגניזמים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בתיקוף המטרה על ידי ביטול ארטיפקטים היסטולוגיים ושימור העל-מבנה הטבעי.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות באמצעות פרוטוקולי סינכרוטרון סטנדרטיים ותהליכי ויזואליזציה מבוססי תוכנה.
- ערך אסטרטגי: מפחית את הסיכון לכישלון בשלבים מאוחרים על ידי מתן אפשרות לגילוי מוקדם של חריגות מבניות במודלים של מועמדים מובילים.
- השפעה על הפורטפוליו: מסייע בקבלת החלטות של המשך או הפסקה (go/no-go) באמצעות נתונים מבניים כמותיים ואמינים במיקרו-מודלים רלוונטיים למחלה.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בבטיחות של קרינת סינכרוטרון, שחזור טומוגרפי ותוכנות לרינדור נפחי (למשל, Fiji, VG Studio Max).
- תלוי בגישה למתקני סינכרוטרון (למשל, ESRF) עם יכולות קו קרן (beamline) להדמיה ברזולוציית תת-מיקרון ב-20.5 keV.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של הכנת הדגימות (ייבוש בנקודה קריטית, קיבוע) ופרמטרי ההדמיה (1,500 הקרנות, פרוטוקולי סיבוב).
- כולל שיקולי התאמה לצפיפויות דגימה משתנות, קשיות קוטיקולה ותחליפי קיבוע בין מיני מיקרו-ארתרופודים.
- מוגבל על ידי אילוצי גודל הדגימה (<1 mm) והצורך בדגימות עמידות לקרינה במהלך חשיפה ממושכת לקרן.
שאלות נפוצות בביופארמה
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
