一种高通量大尺度生物样品电镜三维重构方法的研究

With the in-depth development of life science, the 3D structure with high resolution of large scale biological samples become more and more important. It depended on the development of volume electron microscopy (EM). Currently, there are four volume EM strategys:1)Serial section transmission electron microscopy(ssTEM); 2) Serial Block-Face scanning electron microscopy(SBF-SEM);3) Focused Ion Beam SEM(FIB-SEM);4)Automatic Tape- Collecting Ultramicrotome SEM(ATUM-SEM). And the ATUM-SEM technology has not been widely used because it still need to be improved in its start-up phase. In the past two years，we have successfully developed the first generation of serial ultrathin section automated collection device, and carried out the research on a new method of large-scale 3D reconstruction. Based on the past work，we intend to further optimize and develop the new high throughout 3D reconstruction method by selecting Caenorhabditis elegans as the sample. For this project, the serial ultrathin sections automated collection technology and the scanning electron microscopy (SEM) automated imaging technology are the core technologies. Meanwhile, a database for C.elegans 3D ultrastructure will also be established with this method. The research content includes:(1) the preparation of the suitable resin embedded block; (2) the automated collection of high throughout serial sections; (3) the automated collection of high throughout SEM imaging; (4) the large-scale 3D reconstruction and analysis.

随着对细胞生物学、神经生物学的深入研究，人们越来越需要获得大尺度生物样品的三维结构信息，而这离不开体电子显微学技术的发展。目前体电子显微学技术主要有：基于透射电镜成像的连续超薄切片策略，和基于扫描电镜成像的系列块表面、原位离子束切割以及刚起步尚需完善还未广泛应用的自动化带式收集超薄切片机三种策略。在过去的两年工作中，我们已率先成功研制出第一代连续切片自动收集装置，并对大尺度三维重构新方法进行了初步探讨。在此工作基础上，本项目拟选取线虫作为研究对象，进一步优化并发展以连续切片自动化收集和扫描电镜自动化成像为核心技术的高通量大尺度生物样品三维重构的新方法，并将构建一套完整的线虫三维结构数据库。项目研究内容包括：（1）适合连续切片自动收集和扫描电镜成像的样品制备；（2）高通量连续切片的自动化收集；（3）高通量扫描电镜自动化成像技术的实现；（4）大尺度三维重构及结构分析。

随着对细胞生物学、神经生物学的深入研究，人们越来越需要获得大尺度生物样品的三维结构信息，而这离不开体电子显微学技术的发展。目前体电子显微学技术主要有：基于透射电镜成像的连续超薄切片、连续断层成像策略，和基于扫描电镜成像的系列块表面、原位离子束切割以及还未广泛应用的自动化带式收集超薄切片机三种策略。基于我们率先成功研制出第一代连续切片自动收集装置的基础，本项目选取了线虫作为研究对象，进一步优化并发展了以连续切片自动化收集和扫描电镜自动化成像为核心技术的高通量大尺度生物样品三维重构的新方法——AutoCUTS-SEM。. 项目取得的重要结果包括：（1）建立了适合连续切片自动收集和扫描电镜成像的样品制备流程；（2）优化升级后的第二代连续切片自动收集装置已实现商业化；（3）解决了切片过程中褶皱的问题，提高了连续切片自动收集的稳定性；（4）开发了连续切片扫描电镜自动化成像软件；（5）获得了两套线虫的三维结构数据库，有利于人们用线虫这种模式生物揭示有关细胞凋亡、细胞分化、发育、衰老等方面的分子机制。. AutoCUTS-SEM方法的突出优势在于：（1）样品可保存；（2）可在不同分辨率下重复成像；（3）可实现多台SEM并行成像，提高通量；（4）研究尺度最大（毫米级）；（5）便于开展大尺度光电关联技术。它可用于解决诸如：绘制脑连接图谱、大尺度生物样品三维结构数据库、捕捉细胞、组织内的小概率事件、从组织层面分析不同组别特定区域的三维结构差异等神经科学、细胞生物学诸多领域的科学难题。.

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