高通量研究脊椎動(dòng)物多維表型的新方法

時(shí)間：2013-04-24

文章來源: Admin 較新時(shí)間: 2013-04-02 點(diǎn)擊率: 181次

Nature Communications 4, February 12, 2013, Article number:1467, doi:10.1038/ncomms2475

Carlos Pardo-Martin, Amin Allalou, Jaime Medina, Peter M. Eimon, Carolina W?hlby Mehmet Fatih Yanik
1 Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology (MIT)

2 Division of Health Sciences and Technology, MIT,

3 School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University

4 Centre for Image Analysis, Science for Life Laboratory, Uppsala University, Sweden.

5 Imaging Platform, Broad Institute of Massachusetts Institute of Technology and Harvard

6 Department of Biological Engineering, MIT

關(guān)鍵詞：

大顆粒流式分選系統(tǒng)，脊椎動(dòng)物，斑馬魚(zebrafish、Danio rerio)，體內(nèi)多維表型研究，致畸劑，高通量光學(xué)投影層析成像系統(tǒng)，高通量篩選（HTS），高內(nèi)涵篩選（HCS），OPT系統(tǒng)，三維重構(gòu)

摘要：

動(dòng)物個(gè)體內(nèi)，多數(shù)由基因突變與生物活性分子所引發(fā)的復(fù)雜生理應(yīng)答機(jī)制，無法使用細(xì)胞培養(yǎng)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，而動(dòng)物水平研究卻進(jìn)展緩慢。本研究中，我們利用微米分辨率的高通量光學(xué)投影層析成像系統(tǒng)，結(jié)合高效的大顆粒流式分選系統(tǒng)（Union Biometrica），實(shí)現(xiàn)了脊椎動(dòng)物的整體多維度掃描。系統(tǒng)以**的速度與細(xì)節(jié)，在三個(gè)維度水平，自動(dòng)獲取了半透明斑馬魚幼體數(shù)以百計(jì)的*特形態(tài)特征與復(fù)雜表型。通過聚集、量化多種表型特征，我們能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)檢測(cè)、分類多個(gè)生物學(xué)進(jìn)程中的精細(xì)變化。我們將這種方法稱為 體內(nèi)多維表型研究。為了驗(yàn)證體內(nèi)多維表型研究方法的巨大作用，我們利用200個(gè)獨(dú)立形態(tài)檢測(cè)參數(shù)，對(duì)數(shù)十種致畸劑（可引起軟骨形成異常）效應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)合致畸劑的已知機(jī)制，識(shí)別其相似和不同之處。

背景：

針對(duì)多種因素引起的形態(tài)學(xué)變化特征，進(jìn)行高通量篩選，是現(xiàn)代生物學(xué)研究與藥物篩選中**的。當(dāng)前研究中，在細(xì)胞學(xué)水平高通量篩選（HTS）獲得的有效藥物，在進(jìn)一步動(dòng)物水平研究和臨床研究時(shí)，結(jié)果不盡如人意。即使是較復(fù)雜的體外模型，也無法完全展現(xiàn)器官形成的復(fù)雜程度與構(gòu)成等信息。為了克服體外模型在藥物篩選等應(yīng)用中的不足，越來越多的化學(xué)藥物使用斑馬魚(zebrafish、Danio rerio)個(gè)體進(jìn)行篩選研究。斑馬魚幼體是目前廣泛應(yīng)用于藥物篩選的脊椎動(dòng)物模型。針對(duì)斑馬魚的大規(guī)?；蛩胶Y選工作已經(jīng)開展了數(shù)十年，但由于所讀取的結(jié)果往往無法定量說明或局限在有限的參數(shù)記錄，因此需要較完善的解決方案。

為了將數(shù)百種表型的改變進(jìn)行定量記錄分析，并實(shí)現(xiàn)高內(nèi)涵篩選（HCS），我們應(yīng)用高通量光學(xué)投影層析成像系統(tǒng)（high-throughput optical projection tomography system，OPT），該系統(tǒng)結(jié)合高效的大顆粒流式分選系統(tǒng)（Union Biometrica），配合特殊的圖像處理算法，能夠兼容各種顯微鏡，從而獲得微米級(jí)分辨率的3D器官或復(fù)雜形態(tài)學(xué)特征參數(shù)。這一技術(shù)幫助我們從大量動(dòng)物樣本中快速獲得數(shù)百種*特形態(tài)特征和復(fù)雜表型的信息。

結(jié)果與分析：

1.Union Biometrica BioSorter^?Flow Cytometry（新式高通量分選OPT系統(tǒng)）：射流系統(tǒng)與顯微觀察系統(tǒng)組。BioSorte^?不需要對(duì)斑馬魚樣本進(jìn)行預(yù)處理，避免了常規(guī)OPT技術(shù)中較耗費(fèi)時(shí)間的步驟。

2.圖像矯正過程：通過多步圖像軟件矯正，獲得準(zhǔn)確的層析重建圖像。

3.顱面畸形三維重建與評(píng)估：每條斑馬魚幼體，記錄高達(dá)320幀的圖像，通過三維重構(gòu)技術(shù)，形象化展示了斑馬魚幼體軟骨復(fù)雜表型。圖像顯示的層析效果圖充分顯示了三種不同藥物處理后的5dpf斑馬魚幼體的顱面骨骼變化。三種藥物是：retinoic acid（視黃酸）、cyclopamine（環(huán)巴胺）和flusilazole（氟硅唑）。

4.藥物篩選研究實(shí)例：不同濃度環(huán)巴胺藥物對(duì)三種軟骨生長的影響

5.體內(nèi)多維度表型分析：為了*定量斑馬魚幼體表型變異情況，研究者計(jì)算了202個(gè)獨(dú)立的指標(biāo)，用于重建3D表型圖。這些參數(shù)包含了長度、3D方向、表面積及各種骨骼體積等等。

6.大量斑馬魚幼體表型變化陣列分布：每一行代表了一種藥物作用斑馬魚幼體的影響。檢測(cè)結(jié)果以顏色表示，紅色代表幼體個(gè)體表型相對(duì)未處理幼體表達(dá)下降，綠色代表表達(dá)增長。

結(jié)論：

傳統(tǒng)藥物高內(nèi)涵篩選（HCS）技術(shù)局限在簡化的生物模型，如無線增殖的細(xì)胞系等，而在使用原代細(xì)胞、in vivo動(dòng)物模型等進(jìn)行HCS研究時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)面臨眾多的問題。本研究利用微米分辨率的高通量光學(xué)投影層析成像系統(tǒng)，結(jié)合高效的大顆粒流式分選系統(tǒng)（Union Biometrica），實(shí)現(xiàn)了脊椎動(dòng)物的整體多維度掃描。本技術(shù)能夠提供脊椎動(dòng)物器官和組織的3D重建圖像，針對(duì)斑馬魚幼體的研究，本技術(shù)通過能夠?yàn)檠芯空咛峁颖緜€(gè)體的多種表型特征，為動(dòng)物個(gè)體水平實(shí)現(xiàn)藥物高內(nèi)涵篩選（HCS）提供了可行的技術(shù)平臺(tái)。

相關(guān)介紹：

Union Biometrica大顆粒流式分選系統(tǒng)：是基于流式細(xì)胞技術(shù)開發(fā)的，與普通的流式細(xì)胞技術(shù)相比有非常很重要的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

這是市面上一的能夠分選1-1500um生物微粒的全自動(dòng)高通量分選系統(tǒng)。他的管路直徑大，可以用來分選體積較大的生物微粒，因此可以用來應(yīng)用于小的模式生物，比如斑馬魚，線蟲、果蠅等，也可應(yīng)用于大體積細(xì)胞：胚胎干細(xì)胞，胰島細(xì)胞、肝細(xì)胞，細(xì)胞簇等，還可用于藥物化合物的高通量的藥物篩選。這款儀器的技術(shù)**，是氣流分選裝置，通過氣流就行微粒的分選，這種方式非常溫和，確保了收集到的生物活體或敏感物質(zhì)的活性和完整性。

Union Biometrica流式分選系統(tǒng)進(jìn)行斑馬魚研究的文獻(xiàn)：

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3.Fully automated cellular-resolution vertebrate screening platform with parallel animal processing

4.Fully automated cellular-resolution vertebrate screening platform with parallel animal processing

5.A High-Throughput Screen for Tuberculosis Progression

6.Zebrafish high throughput screening using robotic injection technology

7.High-throughput in vivo vertebrate screening.

8.Zebrafish High-Throughput Screening of Innate Immune Responses.

9.A High-Throughput Assay To Measure Whole Body Metabolic Rate Using Zebrafish Larvae.

10.A Whole-Animal Microplate Assay for Metabolic Rate Using Zebrafish

詞條
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