Nieinwazyjna wizualizacja 3D z rozdzielczością submikronową przy użyciu synchrotronowej tomografii rentgenowskiej
27 maja 2008
Użyliśmy synchrotronowej tomografii rentgenowskiej w Europejskim Ośrodku Promieniowania Synchrotronowego (ESRF) do nieinwazyjnego tworzenia zestawów danych tomograficznych 3D o rozdzielczości pikseli 0,7μm. Za pomocą oprogramowania do renderowania objętości pozwala to na rekonstrukcję struktur wewnętrznych w ich naturalnym stanie bez artefaktów powstałych w wyniku sekcji histologicznej.
Hello.My imię i nazwisko Michelle Ov z Bats Lab na University of Tubing, a w tej prezentacji chcę opowiedzieć o nieinwazyjnej trójwymiarowej wizualizacji wewnętrznej organizacji mikro AHR put za pomocą synchrotronowej tomografii rentgenowskiej o rozdzielczości submikronowej. Modelowy system, z którym pracujemy, to orbitujący roztocz Aus Long osis, mikro COLYER AHR o mocy wyjściowej 800 mikronów do jednego milimetra wielkości ciała. To jest zdjęcie zrobione ze wszystkich kultur laboratoryjnych, na których można zobaczyć zwierzęta żywiące się glonami.
Aby zbadać wewnętrzną organizację Argos, używamy synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego do uzyskania danych tomograficznych VOX w SRF i Grable. Tutaj widzisz zdjęcie ESRF z dużym pierścieniem do przechowywania, a w prawym górnym rogu widzisz halę eksperymentalną ID 19, która znajduje się na zewnątrz pierścienia Do pomiarów próbki były krytycznie skierowane w prawo i zamontowane na plastikowych kołkach za pomocą super kleju. Eksperymenty przeprowadzono przy 20,5 KEV i wykonano 1500 projekcji dla rekonstrukcji.
Tutaj widzisz kamerę z niezależnym układem CCD, 14-bitowym zakresem dynamiki i czterema megapikselami. Symulator pokazany na dole tego zdjęcia tłumaczy promieniowanie rentgenowskie na światło widzialne. To jest zbliżenie na uchwyt próbki i stół obrotowy.
Próbka jest montowana na głowicy miernika Goya, aby umożliwić prawidłową orientację próbki w wiązce. Szczegółowy opis układu eksperymentalnego znajduje się w naszym artykule z 2007 roku w Journal of Microscopy. W tej prezentacji skupię się na analizatorach danych w odniesieniu do wizualizacji trójwymiarowej z wykorzystaniem oprogramowania Fiji Studio Max.
Najpierw pokażę, jak usunąć szare wartości z tła, aby wyodrębnić przykładowe informacje. Na histogramie widać jeden duży szczyt, który należy głównie do wartości szarości z tła. Po usunięciu tego piku z histogramu można zobaczyć próbkę wychodzącą z szarego sześcianu.
Następnie pokażę Ci, jak obrócić obiekt za pomocą key framera VG studio. Max ma zestaw predefiniowanych trajektorii kamery. Tutaj używam okręgu XY do generowania obrotu wokół pionowych Xs i to jest końcowa animacja.
Duża struktura na grzbiecie zwierzęcia odpowiada powierzchni super kleju. Teraz pokażę Ci, jak ustawić wirtualną płaszczyznę cięcia, aby móc trójwymiarowo spojrzeć na wewnętrzną organizację próbki. Istnieją trzy orientacje, w których płaszczyzna cięcia może być ustawiona na frontalny rzeczywisty zapał.
Tutaj używam płaszczyzny czołowej i znajduję pozycję cięcia gdzieś w środku zwierzęcia, w okolicy, ta płaszczyzna cięcia nie musi być statyczna. Ponownie, za pomocą ramki kluczowej, można go przesuwać wzdłuż dowolnej osi. W tym przykładzie używam wstępnie ustawionego klipu Z, aby przesunąć płaszczyznę cięcia wzdłuż osi podłużnej próbki i tak wygląda ostateczna animacja krok po kroku, możesz zobaczyć i śledzić organizację 3D wszystkich struktur wewnętrznych z rozdzielczością P wynoszącą zaledwie 0,7 mikrona.
Oprócz predefiniowanych trajektorii kamer możliwe jest również generowanie ścieżek kamer dostosowanych do potrzeb użytkownika. Aby to zrobić, wybierz tryb swobodnego patrzenia na kamerę i dostosuj kamerę oraz odległość ogniskową wirtualnego obiektywu do dowolnej żądanej pozycji. Krok po kroku można zdefiniować nowe pozycje kamery, aby podążać indywidualną ścieżką o dowolnej złożoności.
Okno 3D w lewym górnym rogu pokazuje efekt wszystkich ustawień kamery w czasie rzeczywistym. Ostatni przykład zabierze Cię w wirtualny lot, podążając za całym układem pokarmowym przez zwierzę. Tutaj widzisz niektóre części gma, kopalnię, obrąbek i rotellę.
Podchodzimy bliżej i wchodzimy w pysk zwierzęcia. Tutaj możesz zobaczyć PHN po stronie grzbietowej. Teraz przechodzimy przez przełyk, aby wejść do komór.
Nasze nitowane roztocza mają dwa duże kery. Są to struktury podobne do siebie z funkcją trawienną. Wchodzimy w odpowiednie seum.
Przez mały otwór można zobaczyć liczne komórki IDE. Odgrywają one ważną rolę w trawieniu, chociaż pełna funkcja i mechanizm nie są jeszcze w pełni poznane. Wracając do komór, widzimy szczególną strukturę, zastawkę Izal, przez którą tak naprawdę weszliśmy do komór minutę temu, tuż na granicy komór i okrężnicy.
Możesz zobaczyć byka spożywczego, który jest zbity i otoczony błoną zanikową. Za bolusem pokarmowym widać paletę kału. Przelatujemy teraz przez tę paletę FE.
Następnie minęliśmy krótki międzyśrednik i wchodziliśmy w dwukropek. Tutaj widać duże i charakterystyczne mikrobiologicznie. Na koniec możesz zobaczyć wewnętrzną powierzchnię poszczególnych płytek zwierzęcych, tak jak paletę fe.
Opuszczamy układ trawienny. Teraz mamy krótkie końcowe spojrzenie na zewnętrzną brzuszną stronę zwierzęcia i widzimy płytki zwierzęce, płytki AAL i płytki narządów płciowych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie przedstawia nieinwazyjną metodę wizualizowania wewnętrznej organizacji wyjść mikro AHR za pomocą tomografii synchrotronowej z wykorzystaniem promieni X. Technika ta pozwala na wysokiej rozdzielczości 3D obrazy bez artefaktów związanych z tradycyjnymi metodami histologicznymi.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuronauka
- Techniki obrazowania
- Mikrobiologia
Tło
- Mikro wyjść AHR to małe organizmy, które wymagają szczegółowej analizy wewnętrznej.
- Tradycyjne metody obrazowania mogą wprowadzać artefakty, które zasłaniają prawdziwe struktury.
- Tomografia synchrotronowa z wykorzystaniem promieni X oferuje rozwiązanie o wysokiej rozdzielczości.
- Badanie koncentruje się na orbitowanym roztoczu Aus Long osis jako organizmie modelowym.
Cel badania
- Aby wizualizować wewnętrzne struktury mikro wyjść AHR.
- Aby wykazać skuteczność tomografii synchrotronowej z wykorzystaniem promieni X.
- Aby dostarczyć wglądu w organizację tych małych organizmów.
Zastosowane metody
- Tomografia synchrotronowa z wykorzystaniem promieni X w European Synchrotron Radiation Facility (ESRF).
- Probki zostały wysuszone w krytycznym punkcie i zamontowane do obrazowania.
- Obrazowanie przeprowadzono w 20,5 KEV z 1500 rzutowaniami.
- Do rekonstrukcji danych wykorzystano oprogramowanie do renderowania objętościowego.
Główne wyniki
- Zestawy tomograficzne 3D zostały wyprodukowane z rozdzielczością pikseli 0,7µm.
- Struktury wewnętrzne zostały zrekonstruowane w ich naturalnym stanie.
- Metoda z powodzeniem uniknął artefaktów związanych z sekcjowaniem histologicznym.
- Wizualizacje dostarczyły nowych wglądów w organizację mikro wyjść AHR.
Konkluzje
- Tomografia synchrotronowa z wykorzystaniem promieni X jest potężnym narzędziem do nieinwazyjnego obrazowania.
- Technika zwiększa nasze zrozumienie małych struktur biologicznych.
- Przyszłe badania mogą wykorzystać tę metodę w różnych zastosowaniach w biologii.
Często zadawane pytania
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
