iCAT：开源轴向旋转成像平台推动类器官与活体生物高分辨率研究新突破

《Communications Biology》：iCAT as an open-source platform for axial rotation and high-resolution imaging of organoids and living organisms

在动态光学显微镜应用中，传统技术难以实现多角度成像与精准温控的同步。研究团队开发了开源多功能附件iCAT，通过轴向旋转控制、集成温控模块与实时监测系统，成功实现了斑马鱼胚胎、人类类器官等样本的高分辨率多维成像，为发育生物学和细胞动力学研究提供了革命性工具。

　　

在生命科学研究的微观世界里，光学显微镜如同探索者的眼睛，帮助科学家观察细胞分裂、胚胎发育等动态过程。然而传统显微镜存在两大技术瓶颈：一方面难以对样本进行多角度旋转观察，就像无法转动魔方般全面了解三维结构；另一方面无法在长时间观测中维持稳定的温度环境，使得对温度敏感的活体样本研究举步维艰。现有旋转技术如光片荧光显微镜（LSFM）虽能实现样本旋转，但存在激光校准复杂、易产生条纹伪影等问题，且多数系统价格昂贵，难以在普通实验室普及。

针对这些挑战，捷克科学院分子遗传研究所的Ond?ej Svoboda团队在《Communications Biology》上发表了创新性研究成果。他们开发了名为iCAT（直觉控制轴向倾斜）的开源成像平台，这个集成了轴向旋转、精准温控和实时监测功能的设备，仅需不到250美元即可通过3D打印技术制造，为全球研究者提供了高性能且可定制的显微成像解决方案。

关键技术方法方面，研究团队采用模块化设计理念，通过Arduino控制电路实现样本精确旋转，利用珀耳帖（Peltier）元件进行温度调控（精度达±0.1°C）。使用折射率与水相近的氟化乙烯丙烯（FEP）管作为样本载体，确保光学成像质量。在斑马鱼胚胎实验中，通过转基因品系（如Tg(lmo2:EGFP,fli1:NLS-mCherry)）结合mRNA显微注射技术，利用共聚焦显微镜实现了长达44小时的时间序列成像。

设备设计与性能验证

iCAT采用简洁的3D打印结构，所有电子元件由Arduino控制电路统一管理。核心创新在于其轴向旋转机制，通过步进电机驱动FEP样本管实现360°精确旋转（最小步进角1.8°）。温度控制测试显示，在20-37°C范围内能维持±0.1°C的稳定性，满足活体样本培养需求。光学性能评估中，通过四色荧光微球（TetraSpeck）点扩散函数（PSF）分析证实，使用FEP管不会降低图像分辨率（P>0.05）。信噪比（SNR）比较实验进一步验证，iCAT成像质量与传统方式无显著差异。

生物学应用展示

在人类造血研究中，将多红细胞血症患者外周血单核细胞植入含甲基纤维素的半固体培养基，于iCAT内37°C培养8天。多角度成像清晰展现了红细胞集落形成过程（图1b）。斑马鱼肾髓质造血祖细胞实验同样成功，在32°C培养2天后即可观察cd41:EGFP⁺造血干细胞簇（图1c）。这些结果证明iCAT能有效支持不同温度要求的类器官培养。

发育生物学研究突破

通过双转基因斑马鱼品系（Tg(drl:H2B-Dendra2, etv2:EGFP)）结合CAAX-RFP和NLS-RFP mRNA注射，研究团队实现了原肠胚期细胞谱系追踪。时间序列成像（6-24 hpf）首次发现，在50%下包期（epiboly）即存在定向分化的红系、动脉和静脉祖细胞（图2a,b），这一发现对传统造血发育理论提出了重要修正。

断层扫描成像创新

研究团队建立了样本定位的二维数学模型，通过记录不同旋转角度的参考点坐标，自动计算旋转中心与轨迹半径（图2c）。结合自定义宏命令，实现了显微镜载物台与聚焦系统的自动同步。对3 dpf斑马鱼胚胎进行断层扫描（0°/180°、30°/210°角对），通过Huygens Professional软件融合生成高分辨率三维重建图像，清晰展现了尾部造血组织（CHT）的空间结构（图2d）。

研究结论与展望

iCAT通过创新的开源设计，成功解决了传统显微镜在轴向旋转成像与精准环境控制方面的技术瓶颈。其模块化架构支持与正置显微镜的即插即用式整合，使多角度高分辨率活体成像变得简单易行。在斑马鱼胚胎谱系追踪研究中获得的突破性发现，证实了该平台在发育生物学研究中的巨大潜力。更重要的是，全部设计文件和控制系统已在GitHub开源（MIT许可证），显著降低了先进成像技术的使用门槛。随着人工智能分析工具的集成，iCAT有望成为智能显微镜系统的重要组成，推动生命科学研究的民主化进程。