Comment 8 scientifiques #ImagingTheFuture avec une technologie de pointe | par Chan Zuckerberg Initiative Science | janvier 2023

Comment 8 scientifiques #ImagingTheFuture avec une technologie de pointe | par Chan Zuckerberg Initiative Science | janvier 2023
Comment 8 scientifiques #ImagingTheFuture avec une technologie de pointe | par Chan Zuckerberg Initiative Science | janvier 2023

Découvrez comment les bénéficiaires de subventions CZI développent une technologie pour révolutionner le domaine de l’imagerie

Des outils d’imagerie de pointe peuvent aider les scientifiques du monde entier à visualiser des cellules, des organes et des systèmes entiers dans le corps humain, ce qui peut conduire à des percées dans notre compréhension de la santé et de la maladie. C’est pourquoi le programme d’imagerie de CZI se concentre sur le soutien et la création de nouvelles technologies – à la fois matérielles et logicielles open Source – capables d’observer les processus biologiques en action à différentes échelles spatiales.

Cette semaine ImagingTheFuture , nous mettons en lumière certains de nos incroyables boursiers en imagerie, qui créent des outils pour faire progresser la biomédecine et la recherche scientifique. Lisez la suite pour en savoir plus sur 8 projets ImagingTheFuture pour révéler le monde intérieur de nos cellules.

Microscopie optique et électronique corrélative à haute résolution et économique

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Cette image montre la même zone imagée par deux méthodes, la microscopie électronique (l’image en niveaux de gris) et la microscopie optique (l’insert coloré). Cela démontre comment la microscopie lumineuse et électronique corrélative (CLEM) visualise les structures des cellules, tout en révélant également l’emplacement de protéines spécifiques qui peuvent être impliquées dans des états pathologiques. Avec l’aimable autorisation de Lucy Collinson.

La microscopie lumineuse et électronique corrélative (CLEM) est une technique de microscopie hautement spécialisée qui préserve la structure des cellules tout en révélant également l’emplacement des protéines, ce qui peut donner des indices sur leur fonction dans la santé et la maladie. En raison de la complexité de la technique, elle s’est traditionnellement appuyée sur des analyses d’experts et des équipements coûteux. VP-CLEM-KIT, développé par Lucy Collinson et son équipe, démocratise le domaine en développant un pipeline rentable pour CLEM haute résolution qui peut être mis en œuvre dans n’importe quelle installation de microscopie optique. VP-CLEM-KIT permettra non seulement la recherche CLEM dans des institutions plus petites, mais aura également des applications sur le terrain, apportant la microscopie électronique avancée à davantage de biologistes et de chercheurs à travers le monde.

Construire un microscope pour voir toutes les informations dans le faisceau d’électrons

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Un microscope électronique à contraste de phase laser montrant (de gauche à droite) le système de contrôle, le rack laser, l’optique d’entrée laser, la colonne de microscope, l’optique de sortie laser. Avec l’aimable autorisation de Holger Muller.

La technologie de plaque de phase laser (LPP) offre la capacité unique d’extraire le maximum d’informations physiquement présentes dans le faisceau d’un microscope électronique pour la plupart des échantillons biologiques, qui sont appelés objets à phase faible. Cela en fait un point focal essentiel pour la recherche de pointe. Les applications actuelles de cette technologie sont toutefois limitées. Holger Müller et l’équipe de l’Université de Californie à Berkeley, ont à l’origine réalisé cette technologie et travaillent maintenant à intégrer le LPP dans un microscope électronique à la pointe de la technologie, ce qui permettrait l’acquisition de données à haut débit et optimiserait la conception existante. pour tenir compte des défauts des images déjà capturées. Le microscope améliorera le rapport signal sur bruit, permettant aux chercheurs d’obtenir des images 3D à contraste élevé de protéines dans une cellule ou un tissu pour visualiser en résolution atomique comment ces molécules fonctionnent ensemble.

Plugin Arboretum pour suivre la relation entre nos cellules

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Arboretum, un plugin pour napari qui montre les lignées cellulaires, en action. Avec l’aimable autorisation d’Alan Lowe.

napari est un outil open Source basé sur Python et construit par la communauté, conçu pour parcourir, annoter et analyser de grandes images multidimensionnelles. CZI finance et aide à construire napari et le hub de napari base de données de plugins napari, y compris Arboretum, qui aide les scientifiques à mieux comprendre l’interdépendance des systèmes au niveau cellulaire. Développé par Alan Lowe et l’équipe de l’University College de Londres, Arboretum montre un “arbre généalogique” pour un échantillon donné de cellules, indiquant lesquelles sont semblables et dans quelle mesure. Les applications de ce programme vont bien au-delà du niveau cellulaire – elles peuvent aider les scientifiques à comprendre comment les états pathologiques, les échantillons ou même comment des systèmes biologiques entiers sont liés.

Feuille de lumière à l’échelle de la puce pour l’imagerie à haute résolution spatio-temporelle

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Une projection 3D à code couleur de cellules séparées par ordinateur de l’œil d’un embryon de poisson zèbre en développement, imagée à l’aide d’un microscope à feuille de lumière en treillis avec optique adaptative. Avec l’aimable autorisation de Gokul Upadhyayula.

Aseema Mohanty et Gokul Upadhyayula poussent le domaine de la microscopie en développant une puce nanophotonique rapidement reconfigurable pour générer des réseaux optiques pour l’imagerie volumétrique ultra-mince à base de feuilles légères des processus subcellulaires. Leur microscope à feuille de lumière à treillis basé sur puce (microscope ChiLL, actuellement en cours de développement, permettra une mise en œuvre flexible, simplifiée, compacte et peu coûteuse de la microscopie haute résolution. La puce nanophotonique du microscope ChiLL permet également une personnalisation en fonction des besoins d’imagerie uniques d’un chercheur. Cela élargira l’accès aux techniques d’imagerie avancées, permettant à davantage de chercheurs de voir la biologie en action à haute résolution.

Images de la technologie HiP-CT avec une résolution proche de la cellule Échantillons plus grands que jamais

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La technologie HiP-CT montre des dommages au poumon d’une victime du COVID-19, apportant un nouvel éclairage sur Long COVID. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Paul Tafforeau, données de l’UCL led ESRF beamtime 1252.

La tomographie à rayons X haute résolution fournit des images utiles de la microstructure, mais uniquement sur un très petit champ de vision – souvent uniquement pour des échantillons de tissus de taille millimétrique. Peter Lee et son équipe changent cela. Ils ont co-développé avec la technologie de tomographie à contraste de phase hiérarchique (HiP-CT) de l’ESRF qui permet d’obtenir des images de plus grandes tailles d’échantillons avec la même résolution que les petits échantillons de tomographie à rayons X. Cela nous permet d’imager des organes humains intacts à une résolution proche de la cellule, ce qui nous permet de lier des caractéristiques microscopiques à des conséquences macroscopiques. Cette technologie a déjà été utilisée pour visualiser l’impact de COVID-19 sur la santé pulmonaire ex vivo, indiquant les zones de santé et de dommages à une échelle plus grande et plus détaillée qu’auparavant et fournissant des indices sur les causes de Long COVID.

Utiliser le Deep Learning pour augmenter l’expertise des scientifiques

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Une image montrant l’interface d’annotation via napari pour napari-annotatorj. Avec l’aimable autorisation de Réka Hollandi.

Le tri, la catégorisation et l’étiquetage des images 2D peuvent être difficiles et chronophages pour les chercheurs travaillant au niveau microscopique. Réka Hollandi a développé le plugin napari-annotatorj comme un moyen simple et rapide d’ajouter des annotations à n’importe quelle image 2D. La technologie utilise des suggestions de contour basées sur l’apprentissage en profondeur pour faciliter les annotations, avec une interface qui ne nécessite pas d’expertise en informatique. Non seulement le plugin de Réka aide les chercheurs à mieux comprendre la biologie au niveau cellulaire, mais il a le potentiel d’annoter et de classer des images pour une grande variété de domaines, des images de caméras de tableau de bord de véhicules à la surveillance de pipelines industriels.

Imagerie photoacoustique à grande vitesse dans Glassfrogs

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Imagerie photoacoustique des globules rouges circulants dans une grenouille de verre. La grenouille anesthésiée (à droite) indique la distribution normale du sang dans la grenouille, et la grenouille endormie (à gauche) indique comment les grenouilles de verre stockent le sang dans leur foie pendant leur sommeil pour devenir translucides et éviter les prédateurs. Avec l’aimable autorisation de Junjie Yao de l’Université Duke.

L’imagerie photoacoustique peut fournir une imagerie haute résolution à une profondeur centimétrique de manière non invasive, mais a été limitée par la diffraction acoustique, ce qui a conduit à une incapacité à prendre des images au niveau cellulaire. Les bénéficiaires Junjie Yao et Vladislav Verkhusha ont développé une boîte à outils complète pour améliorer l’imagerie photoacoustique, brisant la limite de résolution précédente et permettant une profondeur et une clarté d’images jamais vues auparavant. Leur technologie a récemment été appliquée pour mieux comprendre comment la grenouille de verre se rend presque invisible lorsqu’elle dort pour éviter les prédateurs. En utilisant la technologie d’imagerie photoacoustique de Yao et Verkhusha, les chercheurs ont découvert que les grenouilles de verre stockaient leur sang dans leur foie pendant leur sommeil, le drainant des zones du corps où il pourrait être visible par les prédateurs. La technologie d’imagerie avancée de Yao et Verkhusha a permis des découvertes qui ont des applications humaines potentielles passionnantes.

Activation d’un nouveau type de microscopie pour l’imagerie ultra-profonde

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En mesurant la matrice de distorsion non linéaire, les scientifiques peuvent imager profondément dans les tissus à une résolution spatiale plus élevée. Avec l’aimable autorisation de Randy Bartels.

L’imagerie à haute résolution spatiale peut être difficile, car elle nécessite l’ajout cohérent d’une large gamme de fréquences spatiales. Randy Bartels et son équipe repoussent les limites de l’imagerie des tissus en profondeur en permettant un nouveau type de microscopie. En mesurant un opérateur de distorsion non linéaire, ils peuvent supprimer la lumière à diffusion multiple qui dégrade la qualité de l’image. Ceci, à son tour, permet une imagerie haute résolution à des profondeurs nettement plus grandes, permettant aux scientifiques de voir des détails fins qu’ils n’avaient jamais pu visualiser auparavant.

En faisant progresser le matériel et les logiciels d’imagerie, nous débloquerons une nouvelle compréhension de la façon dont nos cellules interagissent les unes avec les autres en temps réel dans notre corps, ce qui permettra finalement de guérir, de prévenir ou de gérer toutes les maladies. En savoir plus sur notre travail d’imagerie.

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