シンクロトロンX線トモグラフィを用いたサブミクロン分解能を持つ非侵襲的3次元可視化
May 27th, 2008
我々は、非侵襲的に0.7μmのピクセル解像度での3D断層データセットを生成するために欧州放射光施設（ESRF）でシンクロトロンX線トモグラフィーを使用。ボリュームレンダリングソフトウェアを使用して、これは組織学的切片によって生成された人工物のない自然の状態で内部構造の再構築が可能になります。
Hello.My 名前はチュービング大学のBats LabのMichelle Ovで、このプレゼンテーションでは、サブミクロンの分解能のシンクロトロンX線トモグラフィーを使用して、マイクロAHRプットの内部組織の非侵襲的な3次元視覚化についてお話ししたいと思います。私たちが取り組んでいるモデルシステムは、800ミクロンから1ミリメートルの体サイズのマイクロCOLYER AHR出力である軌道ダニAus Longosisです。これは、動物が藻類を食べているのを見ることができるすべての実験室培養から撮影された写真です。
アルゴスの内部組織を研究するために、放射光X線放射光を使用して、SRFとグレイブルで断層撮影VOXデータを作成します。ここでは、大きな蓄積リングを備えたESRFの写真が表示され、右上隅には、リングの外側にあるID 19の実験ホールがあります。実験は20.5KEVで行われ、再構築のために1, 500の予測が行われました。
ここでは、フリーランスのCCDチップ、14ビットのダイナミックレンジ、4メガピクセルのカメラを紹介しています。この写真の下部に示されているシミュレータは、X線を可視光に変換します。サンプルホルダーと回転テーブルのクローズアップです。
サンプルはGoyaメーターヘッドに取り付けられ、ビーム内のサンプルの適切な向きが可能になります。実験装置の詳細な説明は、Journal of Microscopyの2007年の論文に記載されています。このプレゼンテーションでは、ソフトウェアFiji Studio Maxを使用した3次元視覚化に関するデータアナライザに焦点を当てます。
まず、背景からグレーの値を削除してサンプル情報を抽出する方法を紹介します。ヒストグラムには、主に背景の灰色の値に属する 1 つの大きなピークが表示されます。ヒストグラムからこのピークを削除すると、サンプルが灰色の立方体から出てくるのがわかります。
次に、キーフレーマーVGStadioを使用してオブジェクトを回転させる方法を紹介します。Max には、事前定義されたカメラ モーション パスのセットがあります。ここでは、XY円を使用して垂直方向のXの周りの回転を生成し、これが最終的なアニメーションです。
動物の裏側の大きな構造は、瞬間接着剤の表面に対応しています。次に、サンプルの内部組織を3次元で見ることができるように、仮想切断面を設定する方法を示します。切断面を正面に実際の熱意に設定できる3つの方向があります。
ここでは、正面面を使用して、動物の中央のどこかに切断位置を見つけます。この切断面は静的である必要はありません。ここでも、キーフレーマーを使用して、任意の軸に沿って移動できます。この例では、プリセットクリップZを使用して、サンプルの縦軸に沿って切断面を移動させていますが、これが最終的なアニメーションの様子であり、ステップバイステップで、わずか0.7ミクロンのP解像度ですべての内部構造の3D組織を確認し、追跡することができます。
事前定義されたカメラ軌道に加えて、ユーザー固有のカメラパスを生成することもできます。これを行うには、フリーカメラルックアットモードを選択し、カメラと仮想レンズの焦点距離を任意の位置に調整します。新しいカメラ位置を段階的に定義して、複雑な個々のパスをたどることができます。
左上の3Dウィンドウには、すべてのカメラ設定の効果がリアルタイムで表示されます。最後の例では、動物を通して完全な消化器系をたどる仮想飛行にあなたを連れて行きます。ここでは、gma、炭鉱、唇、およびロテラの一部を見ることができます。
私たちは近づき、動物の口の中に入っていきます。ここでは、背側にPHNを見ることができます。今、私たちは食道を通過して心室に入っています。
私たちのリベット留めされたダニは2つの大きなkerを持っています。これらは消化機能を持つ類似構造です。正しいセウムを入力します。
その小さな開口部から、多数のIDEセルを見ることができます。これらは消化に重要な役割を果たしますが、完全な機能とメカニズムはまだ完全には理解されていません。心室に戻ると、1分前に実際に心室に入ったイザル弁という特定の構造が、心室と結腸の境界に見えます。
あなたは圧縮され、萎縮した膜に囲まれたフードブルを見ることができます。フードボーラスの後ろには、糞便パレットがあります。私たちは今、このFEパレットの中を飛んでいます。
その後、短いインターコロンを通過してポストコロンに入ります。ここでは、大きくて特徴的な微生物を見ることができます。最後に、ここでは特定の動物プレートの内面をfeパレットのように見ることができます。
私たちは消化器系を離れます。次に、動物の腹側の外側を最後に見て、アニマルプレート、AALプレート、生殖器プレートを確認します。
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概要
この研究は、シンクロトロンX線断層撮影を用いてマイクロAHR出力の内部構造を非侵襲的に可視化する手法を提示します。この手法により、従来の組織学的手法に関連するアーティファクトなしで高解像度の3Dイメージングが可能になります。
主要な研究構成要素
科学分野
- 神経科学
- イメージング技術
- 微生物学
背景
- マイクロAHR出力は詳細な内部分析を必要とする小さな生物です。
- 従来のイメージング手法は真の構造を隠すアーティファクトを導入する可能性があります。
- シンクロトロンX線断層撮影は高解像度でソリューションを提供します。
- この研究はモデル生物として、orbited mite Aus Long osisに焦点を当てています。
研究の目的
- マイクロAHR出力の内部構造を可視化する。
- シンクロトロンX線断層撮影の有効性を示す。
- これらの小さな生物の構造に関する洞察を提供する。
使用された方法
- 欧州シンクロトロン放射施設（ESRF）でのシンクロトロンX線断層撮影。
- サンプルは臨界点乾燥され、イメージングのためにマウントされました。
- イメージングは20.5 KEVで行われ、1,500の投影が撮影されました。
- データ再構成にはボリュームレンダリングソフトウェアが使用されました。
主な結果
- ピクセル解像度0.7µmの3D断層撮影データセットが生成されました。
- 内部構造は自然な状態で再構築されました。
- この手法は組織切片作成からのアーティファクトを成功裏に回避しました。
- 可視化により、マイクロAHR出力の組織に関する新しい洞察が得られました。
結論
- シンクロトロンX線断層撮影は非侵襲的イメージングのための強力なツールです。
- この手法は小さな生物学的構造の理解を深めます。
- 将来の研究では、この方法を生物学の様々な応用に活用できます。
よくある質問
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
