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锘海LS18平铺光片显微镜

发布日期:2021/12/16 10:05:39

我国高端光学显微镜市场长期处于被国外产品垄断的局面,许多关键核心部件依赖进口。令人欣喜的是,近五年来,市场上涌现出多种国产光学显微镜,逐渐打破当前市场格局。基于此,仪器信息网特别制作“破局:国产高端光学显微镜技术‘多点开花’”专题,向国产光学显微镜企业广泛征稿。本篇为锘海生物科学仪器(上海)有限公司(以下简称“锘海”)供稿,锘海成立于2017年,2019年推出公司核心产品——锘海LS18平铺光片显微镜。


来源:仪器信息网(点击查看原文:https://www.instrument.com.cn/news/20211210/600447.shtml


问题1: 请回顾一下贵公司关于光学显微镜技术的发展历程。


答:随着医疗卫生和生命科学领域的快速发展,光学显微镜市场规模持续增长,对显微成像技术不断产生新的需求。由于传统光学显微镜空间分辨率、放大倍数和成像视野的性能水平逐渐无法满足生物组织结构分析的需求,光学显微镜的市场需求正快速增加。


2019年,正式推出锘海LS18平铺光片显微镜。这款设备的技术创新主要体现在平铺光片技术,它解决了传统光学显微镜中空间分辨率、光学层析能力和成像视野大小之间的矛盾,能够满足高通量、准确定位的荧光成像分析需求。同时,也是一款为离体透明化大组织样品以及活体模式生物长时程动态监测而设计的高分辨率3D显微成像仪器可实现小鼠全脑、脊髓、骨骼、肾脏、肝脏、乳腺、胰腺、肺、肌肉及肿瘤等小动物完整器官3D结构呈现,亦可展示诸如斑马鱼等活体生物的发育进程,可广泛应用于脑科学、发育生物学、肿瘤学、药物研发和筛选、干细胞研究、组织胚胎学、植物生理学等各个领域。2020年,公司凭借平铺光片技术专利和各项发明软著,获得国家高新技术企业资质。作为“生命科学的服务者,医疗创新的推动者“,锘海将致力于打造完整的生命科学研发、制造、服务生态体系,为生命科学领域的科研及企业客户提供个性化、专业化的产品、服务和整体解决方案,让生命科学更加简单高效。


锘海LS18光学显微技术的发展主要包括两个阶段。第一阶段,动态虚拟光片技术的研发。不同于由柱透镜产生的静态实体光片,该技术是先由照明物镜产生光束,再通过扫描的方式形成光片,因此光束形态以及扫描方式的多样性直接为产生不同形态的光片提供了先决条件。




第二阶段,平铺光片技术的研发。基于动态虚拟光片技术,可以在空间光调制器中导入不同的相位图,产生不同长度、宽度及不同聚焦位置(相位)的光束,由这些光束形成的光片对样品进行单个视野内的分段成像,再将所有图像组合,从而构造整个视野内的图像,即为平铺光片技术。


用户可根据不同研究需求,灵活运用该技术。只需将光片物理形态的调整转变为在计算机上输入参数的简易可视化过程,使得光片在三维成像时实现多通道自动校准以及针对不同折射率进行实时优化等功能。




问题2: 当前贵公司主推的产品和技术有哪些。贵公司在光学显微镜方面有哪些特别优势?


答:锘海LS18平铺光片照明显微镜采用了动态虚拟平铺光片技术,克服传统光片显微镜3D空间分辨率、Z轴层析能力和成像视野之间的矛盾,摒弃原有选择性平面照明显微镜中的单光片照明的方式,利用多个纤薄的光片分段照明,能在不损失成像视野的情况下,获得高分辨率的3D图像。



锘海LS18平铺光片显微镜


 


与其他光学显微镜品牌相比,锘海LS18平铺光片照明显微镜具有以下优势:


1)和传统的光片显微镜相比,相同的成像时间里,采用平铺光片显微镜成像样本可提高空间分辨率以及成像效率。

2)通过变换不同NA的检测物镜,放大倍数,以及调整激发光片,平铺光片显微镜可以实现对厘米级的组织样本从微米级到亚微米级空间分辨率的成像,且结合组织膨胀技术可以进一步提高成像分辨率。

3)通过空间光调制器对激发光片进行相位调制,用于创建和优化样品照明的平铺光片。

4)具有独特的半自动校准功能,保证了成像的准确性、可靠性和易用性;

5)与所有的组织透明化方法兼容,适用于不同形状,不同机械强度的组织成像;

6)不同的透明化组织样本可以在几分钟内快速更换成像;

7)可以对透明化组织进行多分辨率级别、各向同性、多色三维成像。




锘海LS18-平铺光片显微镜在6次平铺后卓越的Z轴分辨率


 


  • 实现微米级及亚微米级空间分辨率的3D组织成像


具有近乎各向同性的微米级空间分辨率的3D组织成像能力可以辅助了解整脑不同脑区的血管网络分布。3小时内获取小鼠脑血管网络几乎识别到所有毛细血管。再提取大脑皮层中穿透性的血管,通过毛细血管与位于胼胝体区域的海马内小静脉或小动脉相连接。


不同透明化方法的小鼠器官在微米级空间分辨率下的三维成像



为观察亚细胞组织结构,将平铺光片显微镜的检测物镜提升至1.0NA,照明物镜提升至0.28NA,产生1um薄光片对样本进行成像。成像结果呈现出高倍显微镜具有很好的亚细胞神经元结构的分辨能力,可观察到兴奋性锥体神经元、神经元轴突上清晰可辨的树突棘和单个神经元的形态。

亚微米级空间分辨率的3D组织成像

组织膨胀技术实现亚微米级空间分辨率3D组织成像


组织膨胀技术提供一种比显微镜更高的空间分辨率来分辨组织结构的解决方案。采用平铺光片显微镜与组织膨胀技术相结合的成像方式,用0.8NA的检测物镜以及更薄的激发光片展示更精细的神经结构。研究结果表明,大脑神经网络极其复杂,纳米尺度空间分辨率的3D成像对完全解析大脑神经网络非常必要。


100nm以下空间分辨率的3D组织成像


 





  • 实现多分辨率尺度的三维组织成像



平铺光片显微镜的优势是可以为其他生物组织的研究提供帮助。整体成像结果展示干细胞在真涡虫内的整体分布,而局部高空间分辨率成像结果展示真涡虫内干细胞组织以及细胞与细胞之间的相互作用关系。因此,平铺光片显微镜有助于研究真涡虫干细胞的分布和功能。类似的优点同样适用于其他生物研究,例如秀丽隐杆线虫,黑腹果蝇,斑马鱼等。




100nm以下空间分辨率的3D组织成像

 
注:以上图片和素材引用自西湖大学高亮博士发表在Cell Reports-A Versatile Tiling Light Sheet Microscope for Imaging of Cleared Tissues文中内容。
 
锘海LS18平铺光片显微镜,具有优异的多色3D成像能力,能够以微米级至100nm以下的空间分辨率对厘米级的透明化样本组织进行快速3D成像。仪器兼容所有的组织透明化方法,灵活适应不同的应用。同时还拥有独特的半自动校准能力,操作简单可靠。因此,平铺光片显微镜使得3D透明化组织成像在生物医学研究中更加可靠及可行。

问题3: 请介绍一下贵公司主推的光学显微镜技术当前的市场现状如何(是否出现主流品牌)?整体技术发展趋势如何?

答:根据恒州博智--《2020-2026全球及中国光片显微镜行业研究及十四五规划分析报告》,锘海是单独被列入专业市场调研报告的国内企业。从市场竞争来看,几家进口品牌虽然也有相关光片显微镜业务,但是主要还是以小样品成像为主,大样品成像研究鲜有,因此尚未形成主流品牌。


相比进口品牌,锘海作为年轻国产品牌,具有重点业务资本聚焦及研发投入灵活、本地市场需求熟悉等先天优势。另外,针对透明化样品高分辨率三维成像的锘海LS18平铺光片照明显微镜已完成科研市场中仪器、试剂、工具的研发和技术外包服务系统的建立,服务多家医院、科研单位,并获得了成功的市场反馈。

从整体技术发展趋势上看,伴随着以日本、中国、印度等为代表亚太地区的医疗、科研、生命科学等领域的快速发展,对光学显微镜的需求将会保持较快的增速发展。随着近年来全球AI技术的不断发展,人工智能的跨越式发展也为光学显微镜降低劳动强度、提高数据采集效率提供了新思路,相信未来光学显微镜将会与人工智能技术更紧密地结合。


客户使用锘海LS18平铺光片显微镜现场装机培训

问题4: 贵公司光学显微镜在生命科学研究中有哪些应用?

答:锘海 LS18平铺光片照明显微镜可以广泛应用脑科学、发育生物学、肿瘤学、药物研发和筛选、干细胞研究、组织胚胎学、植物生理学等各个领域,致力于探索大脑,内脏,腺体,肿瘤,骨骼等多种完整器官的高分辨率、高信噪比的多色荧光3D定位细胞微结构。如视频所示。

另外,2021年2月26日国际学术期刊Science在线发表了中国科学院分子细胞科学创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)研究组的研究成果:“Proliferation tracing reveals regional hepatocyte generation in liver homeostasis and repair”。研究组建立了一种检测细胞增殖的新技术--ProTracer(Proliferation Tracer),并通过锘海LS18平铺光片照明显微镜对经过透明化的肝脏样本进行观察,揭示成体肝细胞来源,为肝脏再生及疾病临床治疗研究提供了新思路。



LS18 light-sheet microscopic image showing donut-like tdTomato signals in liver


该文中的肝脏样本采用了SHIELD方法进行组织透明化,并使用锘海LS18光片显微镜对样品进行3D成像。由此可见平铺光片显微技术与生物组织透明化的结合,能实现可视化状态下对生物组织的三维结构的完整观察,具有非常高的科研和医学价值。

问题5: 从整个行业的角度,对于目前的光学显微技术,您比较看好哪些?还有哪些问题亟待解决?

答:光学显微镜从诞生至今已有400多年的历史,商品产业化已有近200年的历史。随着人民生活水平的提高、生命科学研究及精密检测的需求,光学显微镜市场(实验室级及研究用级显微镜)需求仍以较大幅度增长。历史上曾先后产生4次与显微镜相关的诺贝尔奖,最近一次是“超分辨荧光显微镜”获得2014年度诺贝尔奖。

目前,全球光学显微镜产业主要分布在德国和日本,国内高端光学显微镜市场长期处于被国外产品垄断的局面。对中国企业而言,如果能够制造出高性能、高可靠性的光学显微镜,无疑会面临较大的市场机遇。但我国在高端显微镜的研制过程中,仍然面临从设计、加工到装配和检测等多方面,没有现成标准经验可循的困难,另外进口光学器件的价格也十分高昂,对专业人才在核心技术的掌握能力方面要求较高。要想改善我国高端光学显微镜基本依赖进口的状况,实现高质量的国产替代,就得突破国产化仪器“用得少,反馈少”的瓶颈。


问题6: 从整个行业的角度,您如何评价目前光学显微镜的应用情况?应用过程中还有哪些亟待解决的问题?未来光学显微镜应用将会如何发展?(请结合具体光学显微镜类型回答)

答:光学显微镜的科研价值在于帮助国内生命科学研究工作者保持和前沿科学技术发展的紧密接触。因为对生物组织进行高分辨率三维荧光成像,获取生物组织高分辨率三维结构信息,是在亚细胞、细胞、和组织尺度上研究生物基因表达、细胞形态和细胞分布等信息的重要手段,具有重要科研和临床应用意义。

在科研方面,可用于生物基础科学研究、疾病研究和神经科学研究的透明化生物组织三维成像系统;在医疗方面,可用于临床疾病诊断的完整技术方案、设备和服务;在医药方面,可用于药物临床前安全性评价(DSA)的具有更强针对性、更高通量和完全自动化的应用于模式动物的相关试剂、设备、和服务。

但由于生物组织的不均匀性,如各层组织中含有的水、脂质和蛋白质等各种分子造成光散射,以及细胞中的各类色素成分造成的光吸收,不仅限制了成像深度而且大大降低了图像对比度,想要对组织进行三维成像仍是个很大的挑战。因此组织透明化技术是开启当今光学切片显微镜全部潜能的关键!

锘海自主研发透明化试剂盒是基于各种透明化方法测试和比较后,以及依托测样服务中积累到的丰富而宝贵的经验,经过精心优化的配方,可以穿透细胞而不损伤自身及蛋白质结构,有效地进行脱色脱脂,采用亲水性温和环境的设计,使其在组织荧光保护、样本形态维持、降低自发荧光等方面表现出非常优异的性能,轻松实现小鼠脑、心、肝、脾、肺、肾、胃、肠、睾丸、淋巴、胎盘、卵巢等各类组织器官的透明化,适用范围广、操作简便、速度快、效率高,是广大科研工作者的不二之选。

锘海组织透明化试剂盒

问题7:您如何看待国产光学显微镜生产商和进口品牌厂商的差距?


答:近几年,国产光学显微镜行业发展迅速,每年显微镜产量超过300万,超过50%用于出口,在世界显微镜市场中已经占有一席之地。因受行业技术水平和产业化水平的限制,我国对外出口的显微镜产品基本集中在中低端,利润远不及高端的光学显微产品;而国内高端光学显微镜近90%都依赖于进口。但若对进口仪器依赖过强,一是有风险,科研技术和进展会受制于人;二是仪器用户要花费大量资金购入进口高价产品,相对而言财务压力较大。对中国企业而言,如果能够制造出高性能、高可靠性的光学显微镜,必定会迎来较大的市场机遇。

作为国内光片显微仪器制造商,锘海时刻谨记需用心钻研仪器的性能与提升服务质量来赢得用户的信任。加上开发新市场和摸索用户需求,开拓、采用新型的商业模式共同发力。才有可能在进口品牌竞争中生存并占据上风。此外,国产品牌公司和中国市场的用户接触更密切,互动更有效,在国产公司能够获得足够支持的前提下,紧抓高质量产品和服务,长此以往才能缩短与进口品牌厂商的差距,逐步提高与国际品牌的竞争力。

问题8: 您认为,未来几年光学显微镜的热点市场需求有哪些?


答:未来几年的热点市场需求将会集中于生物基础科学、疾病和神经科学等研究的高速、高分辨、高通量的光学显微镜。除了仪器本身以外,配套的自动化处理工具、成像、数据管理和分析的全套相关产品及订制服务,在科研市场也有着较大需求。

而锘海除了在平铺光片高分辨显微成像上有专利技术和配套新研发的组织透明化试剂盒,还具有从组织前期透明化处理到数据分析一站式科研服务,旨在简化、解决科研流程问题,实现闭环式科研服务。


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