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具有低倍率物镜的结构照明显微镜

在SIMTRUM,我们正在努力使所有研究人员都能使用超分辨率(SR),并将他们的科学潜力和突破提升到一个新的水平。

我们的最新产品SIM Basic基于多点结构照明系统,它可以研究高达~100nm的XY分辨率的细胞结构,而无需应用任何特定的样品制备方案。

与所有SR技术一样,结构照明显微镜通常与使用100X和60X等高放大倍率镜头有关;但是,我们将SIM Basic设计为也可以使用40X和20X。

在本应用纪要中,我们证明了使用20倍的低放大倍率物镜也可以获得两倍的增强空间分辨率,使我们的SR模块成为研究亚细胞细节和扩展应用范围的可靠,简单易用且经济实惠的解决方案,包括复杂的三维(3D)模型,如组织,球状体和类器官。


在低放大倍率下对透明样品进行超分辨率成像
为了证明SIM Basic在低放大倍率物镜下的最佳性能,我们使用CFI Plan Apo Lambda 20X空气物镜(NA 0.75,WD 1)比较了复杂和厚透明生物样品中的宽场(WF)、共聚焦(CF)和SR图像。

在图1中,显示了清除的小鼠肠切片(0.55毫米厚)的不同可视化,其中血管为绿色,细胞核为红色。特别是,由于三种显微镜方法之间的快速切换,我们报告了 WF、CF 转盘和 SR 采集量为 125 um(图 1A)的全球比较,以及 SIM Basic SR 采集的 3D 视频,显示了肠绒毛的精细细节(图 1B)。

在图2中,显示了具有表达GFP的神经元的清除小鼠脑切片(0.55mm厚)。值得注意的是,我们获得了一个复杂的神经元网络的150 um Z堆栈,显示为最大强度投影(MIP)(图2A)和3D体积视图(图2B)。

从这些图像中可以很好地理解,从WF,CF和SR模式切换可以达到更高的分辨率增益,即使在高厚度下也能增强神经元网络的精细细节。

此外,我们决定将20X SR采集与60X CF采集进行比较,如图2C和2D所示,与20X CF采集相比,使用SIM Basic采集不仅具有明显的分辨率改进,而且能够达到与配备CFI Plan Apo Lambda 60X油物镜(NA 1.4, WD 0.13)。与20X CF相比,除了神经元细节质量的显着提高(图2D)之外,使用带有20X物镜的SIM Basic还可以比普通60X油物镜(130 um)的最大工作距离更深入地进入样品(图2C)。


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图1:清除的小鼠肠道切片显示血管(绿色)和细胞核(红色)。(A) WF、CF 旋转磁盘和 SIM 基本 SR 3D 卷视图的比较。(B)SIM Basic SR采集的3D电影,厚度为125 um。这些图像是使用SIMTRUM SpinDisk Advance CF旋转磁盘系统SIM Basic SR附加组件相结合,并配备CFI Plan Apo Lambda 20X空中物镜采集的。

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图2:具有表达GFP的神经元的清除小鼠脑切片。(A) 使用20倍空气物镜采集的WF、CF转盘和SIM基本SR采集的比较,显示为Z堆栈的最大强度投影;(B) 使用3倍空气物镜,20 um厚度获取的150D体积视图。(C) 配备3倍空气物镜的SIM Basic SR模块(左)和配备20倍油物镜的CF旋转盘(右)获取的60D体积视图的比较。(D)关注神经元细节和三种不同获取方式之间的比较:配备20X空气物镜的CF旋转盘(左),配备60X油物镜的CF旋转盘(中)和具有20X空气物镜的SIM Basic SR模块(右)。


在低放大倍率下对常规制备的样品进行超分辨率成像

清除试剂可以使生物组织透明,减少光散射并增强非常厚的标本深度的可视化深度。然而,SIM Basic也可以在常规制备的样品中提供SR,其中主要生物成分的不同折射率在穿过组织时会导致更大的光散射。

因此,我们测试了一些常规制备的样品,例如脑类器官和小鼠脑切片,进行了通常使用共聚焦显微镜完成的采集。

人类全脑类器官能够在体外概括最初的神经发育事件,无论是在细胞相互作用还是组织结构方面,模仿发育中人脑的真实3D组织。在图 3 中,表示人脑类器官切片(50 um 厚度)显示 CTIP2 阳性深层皮质神经元(绿色)和泛n 个欧洲 MAP2 标记(红色)。特别是,我们专注于皮质板,对使用20倍空气物镜获取的WF,CF转盘和SIM Basic SR图像进行比较,并从Z堆栈(15 um)显示为MIP。同样,在三种采集模式之间切换,我们使用SIM Basic获得了分辨率和图像质量的显着提高,增强了皮质深层神经元的精细细胞结构,这些神经元向外围分化,形成了典型的层流皮质结构。

在图4中,我们报告了另一种常规制备的样品的图像:来自Thy1-GFP小鼠大脑的海马冠状切片(50um厚度),并分析了使用20倍空气物镜进行的采集(图4A),使用SIM Basic获得的分辨率增益是显而易见的,在这个非常散射的样品中也是如此。此外,专注于海马神经元网络复杂组织内部的神经元细节,我们将20X SR采集与60X CF图像进行了比较。如图4B所示,配备20倍空气镜头的SIM Basic可以达到与配备60倍油物镜的CF旋转盘相当的图像质量。

总之,所有这些数据加在一起证明了SIM Basic使用常规准备方案在超大物体中呈现精细细节的能力。经济实惠、易于使用的低放大倍率干式物镜也可用于采集常规和非常规标本,使物镜性能翻倍,并获得与浸没式镜头非常相似的图像质量。

使用具有低倍率物镜的SIM Basic可以受益于空气镜头的所有优点,例如没有浸入介质或更大的工作距离,而不会影响图像质量。这种类型的配置大大提高了系统的可塑性,并为我们的客户提供了更大的应用灵活性,将SIM Basic作为SR成像的强大平台,并为SR在高内涵筛选中的使用奠定了基础。

图 3:显示 CTIP2 阳性深层皮质神经元(绿色)和泛神经元 MAP2 标记(红色)的人脑类器官。使用20倍空气物镜采集的WF,CF旋转盘和SIM Basic SR图像的比较,显示为Z堆栈的最大强度投影。


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图 4:来自 Thy1-GFP 小鼠大脑的海马冠状切片。(A) 使用20倍空气物镜采集的WF、CF转盘和SIM卡基本SR图像的比较,显示为Z堆栈的最大强度投影。(B)关注神经元细节和三种不同获取模式之间的比较:配备20倍气镜的CF旋转盘(左),配备60倍油物镜的CF转盘(中)和配备20倍气镜的SIM Basic SR模块(右)。


显微镜方法

本应用说明的所有采集都是通过配备SIMTRUM SpinDisk Advance转盘系统的尼康Eclipse Ti2显微镜进行的,该显微镜与SIM Basic超分辨率附加功能、LDI激光照明(89 North)和6.5 um像素(光度学)的Prime BSI Scientific CMOS(sCMOS)相机进行了。我们使用了CFI Plan Apo Lambda 20X空中物镜(NA 0.75,WD 1)和CFI Plan Apo Lambda 60X油目标(NA 1.4,WD 0.13)。

图3所示的人类大脑类器官和图4所示的小鼠脑切片由Silvia Di Angelantonio教授,Maria Rosito博士,Federica Cordla博士和Caterina Sanchini博士提供,生命纳米与神经科学中心(CLN2S@Sapienza Università di Roma - Istituto Italiano di Tecnologia)。