高分辨率光纤内窥镜为原位细胞成像

摘要

在许多生物学和临床的情况下是有利的，以研究细胞过程，因为他们在家乡的微环境演变。在这里，我们描述了一个低成本的光纤显微镜，细胞培养，动物实验和临床病人的研究中可以提供实时成像的组装和使用。

摘要

许多生物和临床研究，细胞水平分辨率的形态和功能的纵向研究和分析。传统上，并行运行多个实验，研究进行评估的连续时间点，通过光镜移除的个别样本。已经开发了几个活体技术，共聚焦，多光子和二次谐波显微成像能力在 ^原地 1展示。然而，有了这些系统，所需的基础设施是复杂和昂贵，涉及激光扫描系统和复杂的光源。在这里，我们现在可以在一天建成使用的，现成的5000美元以下的组件的设计和一个高分辨率的microendoscope大会​​的协议。该平台提供了灵活性，在图像分辨率方面，场的观点，工作波长，而我们描述了如何将这些参数可以很容易地修改，以满足最终用户的特定需求。

我们和其他人探讨高分辨率microendoscope（HRME） 在体外细胞培养^2-5使用，在切除⁶和活生生的动物组织^2,5和^2,7 体内的人体组织。用户已经报告了几个不同的荧光造影剂的使用^，包括proflavine 2-4苯并卟啉衍生的单酸环^A（BPD - ^MA）5，和fluoroscein 6,7，所有这些都得到了充分的，或研究从美国FDA的批准，在人类受试者使用。高分辨率内窥镜，在这里描述的形式，可以上诉到一个广泛的基础和临床科学的研究人员。该技术提供了一个有效和经济的的方法的补充，使用户能够执行高解析度，在原地纵向成像传统的台式显微镜， 。

研究方案

1。 Microendoscope大会

这里描述（图1a）高分辨率microendoscope应被视为一个基本配置与几个变化大会和应用可能。我们描述在这里详细体现的平台，其目的是作为一种荧光造影剂与proflavine。 Proflavine是一个明亮的核与445 nm和515 nm处的吸收峰和发射波长分别染色。其他造影剂的使用，将要求用户选择适当激发，发射和二向色滤光片。高分辨率microendoscope的几个要素是通用的，可从多个供应商获得。例如，光学机械定位元件Thorlabs，新港，利诺斯等等。紧凑型的CCD相机都可以从公司的Point Grey研究，Prosilica，并Retiga;摄像机的灵敏度，应考虑到要使用的荧光团的亮度，以及所需的帧速率的选择。高功率发光二极管（LED）可能获得LUXEON，克里和Nichia等。住友，藤仓，和肖特光纤束。在选择特定的应用程序组件，用户应该考虑参与荧光团的浓度之间荧光显微镜的内在关系，漂白，照度，摄像机的灵敏度，增益，曝光时间。

1. 6“笼棒连接1.5”笼棒，形成了7.5“长棒对螺丝拧入倍镜单位面对这些棒。0.5”到对面的脸棒。滑动到笼笼棒多维数据集，通过这两个通孔。 2“棒旋入笼立方体（图1b）面朝。
2. 使用C型安装的SM1适配器将相机安装在一个笼子里板。安全笼0.5“笼棒板，面对倍镜单位冲洗。
3. 3“的长镜头管插入”管“的镜头和安全护圈与镜头焦距的镜头。应选择光纤束的核心是由至少两个像素采样时预计相机上。拖放到管排放过滤器第一扣环上，并添加另一个环，以确保在过滤器。观察过滤器的方向公约表示过滤器的制造商。侧旋入镜头管笼多维数据集最近的CCD相机。注意，在图1c，这个镜头和过滤器没有3“镜头清晰管。
4. 将相机连接到计算机，并查看屏幕上的图像。在一个遥远的对象直接的笼大会和笼沿导轨滑动立方体，直到图像出现在焦点。锁定在此位置的笼子立方体。 （这是一个简单的方法，确保管结合的无限远校正物镜镜头时，将形成一个集中的形象）。
5. 插入到持有人，并在笼子里立方体在45 °的分色镜。
6. 螺杆的物镜，通过一个SM1应当在螺纹接头RMS和一个可调的透镜筒，到对面的腾笼换管镜架立方体面前。一个Z -翻译可调透镜筒可用于更容易聚焦。螺杆进笼子板的SMA连接器，安装在棒大约在物镜的工作距离，。
7. 装入一个LED在一个笼子里的钢板和幻灯片上的2月底的“棒添加一个镜头，0.5”镜头，当这个管拧入笼立方体的一面，它会形成一个形象的LED管等。充满物镜后孔径。 （科勒照明）配置将确保光纤束的近端面均匀照明。激发滤光片0.5“透镜筒和地方安全锁紧环（图1C）。
8. 一个SMA连接器连接到一个光纤束。旋入装上笼棒的SMA插座的SMA连接器捆绑。直接对一个宽带光源（荧光灯照明就足够了）束末端，并观察对CCD相机的捆绑近端面对的形象。调整物镜的位置，拧紧或笼立方体，直到纤维束图像集中出现。个人的核心应该是清晰可见（图2）。

2。 GRIN透镜大会

microendoscope的空间分辨率可以增加附加一个微型镜头或镜头装配的纤维束的远端提示。这些光学配置，而不​​是直接放置在组织束尖端，尖端demagnification组织表面成像上，从而提高空间采样频率的光的GUID规定ING核心的纤维束。 demagnification程度对应在空间分辨率，并在同一时间的增加，按比例减少在现场的。梯度折射率（GRIN）透镜组件与光纤兼容GrinTech，核供应国集团，肖特，等等，可以直接粘在纤维束的远端提示。

1. 为您的应用程序所需的放大倍率和工作距离选择一个GRIN透镜。确保镜片直径超过计划与纤维束。我们建议，独立的3轴手动定位阶段下安装一个低功率的显微镜或立体精确对准前粘接的纤维束和GRIN透镜。
2. 光学胶（如诺兰紫外光固化胶粘剂）上放置一个镜头或捆绑面对下降。使用手动定位，接触到的两个组成部分。接口暴露在紫外灯制造商推荐的剂量。
3. 为了保护GRIN透镜和保税接口，铝毛细管（含小零件）的短长，可以用附上的联合。滑过油管与环氧地方联合和安全。热缩管，可用于完成大会。

3。 Microendoscope成像

1. 应用造影剂成像的细胞或组织。 proflavine（0.01％W / V在PBS）， 在体外培养细胞成像，可以进行短暂的潜伏期（<1分钟），并彻底冲洗。 体外组织标本或体内组织的成像是可能以下的染料局部应用。 proflavine摄取这些条件下成像可能在几秒钟内，并持续几分钟，被认为是近乎瞬时的。
2. 将光纤束光成像样品接触。当成像细胞文化或体外组织标本中，我们建议安装在成像过程中的稳定性XYZ轴手动定位阶段的安全夹具纤维束的末端。

4。代表性的成果：

正确组装时，microendoscope将落射荧光显微镜，通过一个连贯的光纤束中继。为了达到最佳的成像效果，应引起重视，以确保满足三个关键条件：

1. 纤维束的近端面对应无散焦到CCD相机的成像，以实现系统的全部决议。图2A，B，C表现出部分的纤维束成像差的焦点，稍有失焦，和良好的重点，分别。找到最佳的重点是通过调整物镜相捆绑面对的轴向位置。
2. 纤维束的近端表面应均匀地照亮在其整个直径（实地查看）。正如议定书案文（1.7）中所述，这是通过配置科勒照明的照明光学系统。图2d显示亮起时获得一个统一的荧光样品在这个首选的配置，展示了关键的照明下的相应的结果与图2E，图像。在后一种情况下，LED的结构成像上的纤维束面，在这个多余的图案叠加后的真实样品的结构外观。
3. 纤维束的近端和远端的面孔应保持清洁，无划痕和芯片。图2F演示捆绑面对的碎片的存在，破坏纤维周边5时许在小芯片的形式。以同样的方式与传统的光纤连接器清洁，用镜头纸，异丙醇，或标准的光纤清洁工具，杂物可从捆绑面临。如果纤维束两端被划伤或插话，或如果束沿其长度打破，面对可能被磨光平标准手册，或机械抛光技术。我们建议12-15微米为一个初步的粗抛光研磨纸，用0.5-1.0微米纸最后的抛光。

图3a显示1483细胞在体外成像，下面的标签与proflavine和光裸纤维束对样品的位置。图3b显示在空间分辨率和减少由一个2.5倍的笑容保税束尖端镜头提供的字段的视图改善。电影1表明，在活体成像的小鼠模型的乳腺脂肪垫。在这里，一个0.5毫米的外径（330微米领域的视图）的纤维束是通过一个21号针头和先进的组织。脂肪细胞清晰可见，由于心动周期明显此次收购的议案15帧每秒。图3c演示成像的在一个健康的人类志愿者的口腔粘膜，这个时候，使用1.5毫米外径（1.4毫米场的视图）一个较大的纤维束。在所有显示的例子，proflavine被用作核标签荧光造影剂。

图1。装配高分辨率microendoscope（HRME）。 （一）该HRME系统的示意图。 （b）大会的主要光学机械支撑结构。 （三）添加光学元件，照明LED，和CCD相机。 （四）照片HRME系统，封装在一个10“× 8”X 2.5“圈地。

图2。成立HRME。成像的例子，与光纤束（一）贫困重点，（b）关闭好重点，（C）理想的重点。 （四），科勒（统一）照明下一个统一的目标bundle的远端提示荧光成像。 （E）一个统一的荧光目标成像关键的照明下，与源对象的结构明显。 （F）松散的组织和细胞，能坚持到纤维束的脸，这是也很容易出现轻微损坏，在其周边。

图3。HRME的成像。 （一）1483细胞， 在体外成像proflavine 0.01％（W / V）的标签后的裸纤维束（IGN-08/30 ）。 （二）相同的1483细胞培养（一）所示，与纤维束连接与2.5倍GRIN透镜成像。 （三） 在体内正常人体口腔粘膜图像，外敷proflavine 0.01％（W / V）。

电影1。成像乳腺脂肪垫鼠标，通过插入传递到组织中的21号针管腔内外径450微米的纤维束。 Proflavine 0.01％（W / V）被送到成像网站通过同一个针头插入成像纤维前。 点击这里观看视频

讨论

高分辨率内窥镜技术的描述，这里提供了一个可视化细胞原位细节的灵活，功能强大，和成本效益的方法基本的生物医学和临床研究领域的研究人员。组装成像系统，我们已经描述了一个协议， 在体外细胞培养表明其使用，并在动物和人体组织在体内。虽然这里介绍的成像结果proflavine作为荧光造影剂，与其他群体已经证明LED照明波长选择^5-7其他染料的激发/发射光谱相匹配的过滤器系统的版本。

分辨率和领域的初步确定由核心到核心的间距和成像光纤束的直径。我们已经使用了约4微米的间距，芯芯和成像直径330微米（1电影），720微米（图2，图3A，B），和1400微米（图3c）捆绑。小束可以通过较窄的表针，大大超过弹性较大的纤维。我们和其他^8，在某些情况下，注意到从纤维的自体荧光排放外观包本身。当试图在紫外线波长激发的荧光，或在红色光谱范围内收集排放，应注意的整体被测信号的自体荧光纤维束水平。

虽然大部分高清晰度内窥镜的工作报告，至今已经使用了裸纤维束，可提供进一步放大，利用保税远端尖的梯度折射率镜片。梯度折射率透镜提供一个简单和经济的方式，以增加空间分辨率，虽然是众所公认的易感性光学像差和有限娜。如果GRIN透镜的性能不足为特定的应用程序，混合GRIN ^/ 9球面镜片目标或微型物镜^组件 10-11可以采用。

高分辨率microendoscope这里描述的基本上为宽视场落射荧光显微镜，因此没有光学切片（如共聚焦或非线性显微镜）是可以预料的。根据我们的经验，用455 nm激发光作为造影剂的外用proflavine，光线主要是收集相应的几个细胞层的深度。

这个协议应该使读者组装台式高分辨率microendoscope，紧凑的面积为10“× 8”。如果需要的话，系统可能会被封闭在一个盒子里，由电池供电（图1d）和电气元件（LED和摄像头）。许多紧凑型相机可以通过IEEE - 1394（火线）和计算机主机的USB端口供电。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
CCD camera	Point Grey Research	GRAS-14S5M
LED	Thorlabs Inc.	M455L2	Selected for use with proflavine – other fluorophores may require different parts
Excitation filter	Semrock	452/45	Selected for use with proflavine – other fluorophores may require different parts
Emission filter	Semrock	550/88	Selected for use with proflavine – other fluorophores may require different parts
Dichroic mirror	Chroma Technology Corp.	485 DCLP	Selected for use with proflavine – other fluorophores may require different parts
Objective lens	Thorlabs Inc.	RMS 10X
Tube lens	Thorlabs Inc.	AC-254-150-A1	Select focal length to achieve required magnification to CCD
Condenser lens	Thorlabs Inc.	ACL2520
Cage cube unit	Thorlabs Inc.	C6W, B1C, B3C, B5C, SM1CP2
Cage rods and plates	Thorlabs Inc.	ER05 (x4), ER1.5 (x2), ER2 (x2), ER6 (x2), CP02 (x3)
Fold mirror unit	Thorlabs Inc.	KCB1, PF10-03-G01
Lens tubes	Thorlabs Inc.	SM1L05, SM1L30, SM1V05 (or SM1Z)
Adapters / couplers	Thorlabs Inc.	SM1A3, SM1A9, SM1T2 (x2)
SMA connectors	Thorlabs Inc.	SM1SMA, 11040A
LED driver	Thorlabs Inc.	LEDD1B TPS001
Fiber optic bundle	Sumitomo Bakelite Co., Ltd.	IGN-08/30	Larger or smaller bundles are available (Sumitomo / Fujikura)