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從一個受精卵發(fā)育成多種功能的胚胎,細胞要經過上千次分裂和復雜的排列重組。據理學家組織網6月3日報道,霍華德·休斯醫(yī)學研究院珍妮莉婭法姆研究學院開發(fā)出一種的成像技術,能以的速度和度看到這一過程,讓人們能追蹤胚胎成形時每個細胞在幾天甚至幾小時內的變化。相關論文發(fā)表在6月3日出版的《自然·方法學》上。
研究人員演示了一段約20小時的果蠅胚胎發(fā)育視頻。在視頻中,生物結構逐漸出現,從一小團簡單的細胞簇慢慢變長,變成上萬個細胞緊緊擠在一起的拉長的小胚胎,然后在新形成的肌肉收縮舒張下開始顫動,此時胚胎僅有半毫米長。此外,論文中還有一段果蠅胚胎中樞神經系統完整的發(fā)育視頻,跟蹤了單個細胞發(fā)育出感覺器官、腦葉及其他結構的過程,由于分辨率足夠高,還能看到神經軸突迅速變化。
發(fā)明該技術的珍妮莉婭法姆研究學院的菲利普·凱勒說,要理解一個單細胞怎樣變成了復雜的組織,真實看到這一過程非常重要。傳統光學顯微鏡速度太慢,無法跟蹤細胞在生命初期的迅速變化,也容易破壞一個活胚胎,只能通過把多階段、多組織的照片拼在一起,才能推測發(fā)生的變化,但“細胞分裂重組每次都不一樣,這種觀察方法可能會產生誤導”。
新技術基于一種高速非侵入式光學顯微鏡,稱為SiMView光層顯微鏡,能從4個角度同時拍攝圖像,不僅能跟蹤細胞運動,還能對發(fā)展過程進行數量分析。該顯微鏡由凱勒小組和德國的歐洲分子生物實驗室合作開發(fā),攻克了傳統光學顯微鏡的兩個難題:一是光源對樣本造成的傷害,二是對海量數據進行處理分析。
大部分光源都會傷害細胞,使其中的熒光標記消失。研究小組設計的照明技術是一種激光掃描層,一次照射樣本極薄的一層以減少傷害,由探測儀記錄下被照亮的部分。光層來自兩個相反方向,并用兩個探測儀來探測熒光,照明與探測相結合,提供了4個不同的觀察角度。不僅能避免由于光散射而造成的模糊,還將圖像采集速度提高了50倍。
要讓照亮樣本和探測熒光在時間、位置上協調一致,時機吻合極為重要,光層交叉通過會造成圖像模糊,發(fā)光間隔僅幾毫秒。為了保持精度,SiMView還安裝了實時調節(jié)的電子系統。
顯微鏡每秒會收集350Mb的數據,一個樣本一天要產生海量數據,而不同條件或不同基因的發(fā)育對比實驗,所要求的數據比這還要多好多倍。為此,研究人員開發(fā)出一種新的計算方法,能識別并跟蹤顯微鏡視頻中單個細胞并自動分析。這些都構成了拍攝活樣本這一完整技術框架的必要組成部分。
凱勒表示,他們還將繼續(xù)改進顯微鏡使計算過程更加有效。今后不僅能追蹤胚胎中細胞的一代代世系,還可能控制發(fā)育以探索發(fā)育機制,并研究其他更大更復雜樣本的發(fā)育過程。