面向活体样本的大体积高分辨率成像解决方案

——基于徕卡显微系统 Viventis Deep 双视野光片显微镜的应用实践

摘要

在生物学研究中，解析复杂多细胞系统在时空维度上的动态变化，是理解发育、组织稳态与疾病发生机制的核心目标之一。然而，对大型活体样本进行长时间、单细胞分辨率且低光损伤的三维成像，始终面临技术挑战。

近期发表于《Nature Method》的一项研究报道了一种开放式、多样本、双视野光片显微成像方案。研究表明，基于 徕卡显微系统（Leica Microsystems）Viventis Deep 双视野光片显微镜 的技术架构，在活体大型样本的高分辨率、长时间成像方面取得了重要进展，为系统研究复杂多细胞结构提供了可靠的成像工具。

一. 技术背景与应用需求

传统共聚焦或宽场显微成像在面对以下需求时受到明显限制：

• 大体积样本（数百微米尺度）的整体成像
• 多细胞系统中单细胞行为的长期动态追踪
• 多样本并行成像与统计分析
• 在维持自然生长环境条件下的低光毒性成像

光片荧光显微镜（Light Sheet Fluorescence Microscopy, LSFM）因其面照明方式，在降低光损伤和提高成像效率方面具有天然优势。但在实际应用中，如何在保持空间分辨率的同时，兼顾样本尺寸、成像深度、时间尺度与通量，仍然需要更加灵活的系统设计。

二. 徕卡显微系统 Viventis Deep 的系统设计特点

该研究重点采用了 徕卡显微系统（Leica Microsystems）Viventis Deep 双视野光片荧光显微镜。该系统针对大型多细胞活体样本的成像需求，在光路与样品架构层面进行了功能整合。

2.1 双视野与双照明配置

Viventis Deep 显微镜结合了：

• 双侧检测（dual-view detection）
• 双侧光片照明（dual-side illumination）

该配置提高了大体积样本中深层结构的成像均一性，有助于在整个样本体积内维持一致的空间分辨率与信号质量。论文中展示的实例表明，通过双侧检测策略，可在完整类器官体积内清晰解析单个细胞层级的结构与动态。

2.2 开放式样品架与多样本成像

得益于照明与检测物镜的三维空间布局，Viventis Deep 系统支持顶部开放式样品架设计：

• 支持 最多四个独立样品室
• 可在实验过程中从顶部进行加样或处理
• 同时实现三维光片成像与多位置并行采集

这一设计使研究人员能够在存在样本间异质性的情况下，获得更加稳定且具有统计意义的结果。

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三. 大型活体样本的长期成像能力

研究系统性验证了 Leica Microsystems Viventis Deep 显微镜 在多种大型活体样本中的适用性，包括：

• 成熟小鼠肠道类器官
• 囊胚样类器官
• 水螅
• 人类结肠癌类器官

这些样本的尺寸可达到 约 550 μm，并可在维持自然生长与培养条件的前提下，进行最长达 12 天的连续成像。长期成像数据为解析组织形态变化、细胞迁移与分化过程提供了高时间分辨率支持。

四. 跨时间与跨尺度的单细胞动态追踪

4.1 器官发生过程的连续观察

作者以成熟小鼠肠道类器官为例，利用 Viventis Deep 显微镜在三天内持续追踪了：

• 隐窝（crypt）形成
• 绒毛（villus-like structures）发育

在整个过程中，系统在保持低光损伤的同时，稳定获取单细胞分辨率的时间序列三维图像，为分析组织级与细胞级事件之间的关联提供了可靠数据基础。

4.2 多类型样本的一致成像表现

研究还展示了该系统在以下样本中的应用一致性：

• 小鼠肝脏类器官
• 人类结肠癌类器官
• 小鼠腮腺唾液腺类器官
• 囊胚样类器官

在不同模型中，徕卡显微系统 Viventis Deep 光片平台均能够在维持生理相关培养条件的前提下，提供适用于定量分析的高质量成像数据。

五. 数据分析与单细胞信息获取

结合高阶的：

• 细胞追踪算法
• 三维分割方法
• 活体成像与免疫荧光标记

研究实现了在整个类器官体积内的单细胞级数据获取。活体成像与免疫荧光的结合，使研究人员能够同时解析不同细胞类型的行为特征与成熟状态，为理解复杂细胞群体的动态调控机制提供了重要信息。

六. 应用价值与方法学意义

从技术应用角度来看，本研究表明：

• 以 Leica Microsystems Viventis Deep 双视野光片显微镜 为代表的开放式、多样本光片成像方案
• 能够在大型活体样本中实现高分辨率、低扰动、长时间、多样本并行成像

该方案为类器官生物学、发育生物学与肿瘤模型研究提供了具有可扩展性的成像平台，也为多细胞系统的动态研究建立了可复用的技术范式。