Nature子刊:“毕加索”让生物分子变成了彩色!

【字体: 时间:2022年06月24日 来源:Nature Communications

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  巴勃罗·毕加索的超现实立体主义艺术风格将常见的特征变成了无法辨认的场景,但一种以他的名字命名的新的成像方法可能会阐明最复杂的主题:大脑。利用人工智能来澄清用于染色特定蛋白质和其他研究兴趣项目的微小分子的光谱颜色混合,毕加索技术允许研究人员使用超过15种颜色来成像和分析我们重叠的蛋白质。

  
   

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图:通过毕加索在三个染色和成像轮中对小鼠海马进行45色多路成像


巴勃罗·毕加索的超现实立体主义艺术风格将常见的特征变成了无法辨认的场景,但一种以他的名字命名的新的成像方法可能会阐明最复杂的主题:大脑。利用人工智能来澄清用于染色特定蛋白质和其他研究兴趣项目的微小分子的光谱颜色混合,毕加索技术允许研究人员使用超过15种颜色来成像和分析我们重叠的蛋白质。5月5日,来自韩国的毕加索的开发人员在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上发表了他们的方法。

荧光团——染色分子——被光激发时会发出特定的颜色,但如果使用超过4个荧光团,它们发出的颜色就会重叠和混合。研究人员之前开发了一种技术,通过精确定义混合和非混合图像的矩阵来纠正这种光谱重叠。这种测量依赖于参考光谱,通过识别一个荧光团染色标本的清晰图像或多个相同制备的标本,每个标本只包含一个荧光团来找到参考光谱。

共同通讯作者、韩国科学技术院电气工程学院教授Young-Gyu Yoon表示:“由于荧光团的发射光谱取决于光谱测量的亚区域,因此在大脑等高度不均匀的样本中进行这种参考光谱测量可能会很复杂。”他解释说,每个子区域都需要自己的光谱参考测量,这是一个低效、耗时的过程。“为了解决这个问题,我们开发了一种不需要参考光谱测量的方法。”

该方法是“通过光谱重叠荧光团信号的分解,对生物分子进行超多路成像的过程”,也被称为毕加索。超多路成像是指将一个单元的多个独立组件可视化。就像每个电影院都在播放不同的电影一样,细胞中的每个蛋白质都有不同的作用。通过荧光团染色,研究人员可以开始了解这些作用。

“我们设计了一种基于信息论的策略;共同通信作者、KAIST材料工学系教授张在边(音)表示:“分解是通过反复最小化混合图像之间的相互信息来实现的。”“这使我们能够摆脱不同蛋白质的空间分布是相互排斥的假设,并使准确的信息分解成为可能。”

为了证明毕加索的能力,研究人员将这项技术应用于老鼠大脑的成像。通过单轮染色,他们对小鼠大脑进行了15种颜色的多重成像。虽然小,但老鼠的大脑仍然是复杂的多面器官,需要大量的资源来绘制。根据研究人员的说法,毕加索可以提高其他成像技术的能力,并允许使用更多的荧光团颜色。

Yoon说,通过结合毕加索的这种成像技术,该团队仅在三个染色和成像周期内就实现了小鼠大脑的45色多路成像。

Chang说:“毕加索是培养细胞、组织切片和临床标本的多元生物分子成像的万能工具。”“我们预计毕加索将在生物分子空间信息重要的广泛应用中发挥作用。该工具的一个有用应用是揭示肿瘤微环境的细胞异质性,特别是免疫细胞的异质性,这与癌症预后和癌症治疗的疗效密切相关。”

三星未来技术研究基金和孵化中心支持这项工作。光谱成像是在韩国基础科学研究院西部首尔中心进行的。

文章标题

PICASSO allows ultra-multiplexed fluorescence imaging of spatially overlapping proteins without reference spectra measurements


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