拉德克利夫医学院的高内涵成像

图1：通过Cairn TwinCam(一种双摄像头适配器(或根据具体所指翻译，如无特定名称可保留原文))将两台Kinetix sCMOS相机连接到Nikon Ti2(显微镜)上，用于高内涵成像。

背景

Chris Toepfer博士是首席研究员，致力于研究遗传性心血管疾病中心脏生理的变化。实验室利用荧光显微镜和钙成像观察不同心脏疾病(如职业体育疾病)中细胞收缩力的影响。

利用具有已知基因组的人类干细胞衍生心肌细胞，利用CRISPR Cas9将患者特异性突变和GFP标签插入该细胞模型并观察其效应;比如细胞跳动得比正常更快或更剧烈。这通过钙成像监测细胞中的钙通量，以及对GFP标记的肌节本身进行成像，使Toepfer博士及其团队能够实时测量肌肉收缩基本单位的收缩力。

挑战

正如托普费尔(Toepfer)博士所述，肌节是一种难以成像的样本：“通常存在数百个肌节，我们需要在每个细胞中追踪每一个肌节，而且我们要对数百个细胞都进行这样的操作，所以这是高通量的……不幸的是，在每个肌节中只能观察到几次带有绿色荧光蛋白(GFP)标签的蛋白质，而且肌节的大小只有2.1微米，因此我们受到可用光线的限制。”

“细胞每秒搏动一次或两次，而且收缩速度非常快，因此我们需要高帧率来观察并追踪其运动……最初的收缩过程持续50 - 100毫秒，我们希望在这段短暂的时间内尽可能多地捕捉帧数，以真正表征收缩和舒张是如何发生的。”

在大面积成像区域捕捉许多快速事件的需求，使得这成为一项要求极高的实验;这项实验往往受到所用硬件的限制。之前的显微镜视野为22毫米，而且系统上的电子倍增CCD(EMCCD)相机的成像区域更小。

此外，使用红色荧光蛋白(RFP)对钙成像以及使用GFP对肌节成像需要使用多个通道，这意味着每次采集耗时更长。托普费尔博士提到他之前对这些样本进行成像的系统时说：“使用我们之前的系统，我们只能在单个通道达到约30帧/秒的速率”，这是由于EMCCD技术的速度限制。

Kinetix(相机型号)非常出色，更大的视野对我们很有帮助，我们的采集速度更快，所以我们可以在相同的时间内完成更多的实验，并获得更多数据，而且数据质量也更高。——克里斯托弗·托普费尔(Christopher Toepfer)博士

解决方案

新系统为实验室提供了克服之前所有局限性的能力：更大的成像区域、更高的采集速度以及整体更高的数据吞吐量。Kinetix相机与尼康Ti2显微镜的结合意味着可以在整个25毫米(视野范围)内以约600帧/秒的速度成像，这产生的数据量是之前系统的20倍。

托普费尔博士向我们讲述了他使用Kinetix相机的体验：“Kinetix相机非常出色，更大的视野对我们很有帮助，现在我们能够捕捉多个细胞的图像，我们的采集速度更快，所以我们可以在相同的时间内完成更多的实验，并获得更多数据，而且数据质量也更高。”

“Kinetix相机使我们能够观察快速事件……现在我们以100帧/秒的速度运行，而之前是30帧/秒，如果我们缩小芯片(成像区域)，速度可以达到1000帧/秒以上，现在这在显微镜上可与用于钙成像的其他技术(如光电倍增管)相媲美。”托普费尔博士还希望利用用于电压成像的荧光团来测量并关联在收缩时触发钙释放的动作电位。这些电压事件的发生速度远快于收缩周期，需要更高的速度进行成像，而Kinetix相机可以轻松实现。

该实验室目前将两台Kinetix相机与Cairn Research公司的TwinCam发射分光器结合使用。除了新显微镜和新相机提供的高吞吐量外，TwinCam意味着他们现在可以在多个荧光通道进行实时成像，从而同时捕捉钙波和肌节收缩情况，并关联这两个通道之间的信