虹科案例|CELESTA光源用于基因表达的多重成像

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背景

多发性硬化症（Multiple sclerosis，MS）是一种中枢神经系统慢性炎症相关的疾病，主要损害脊髓、大脑以及视神经。同时其也是一种罕见病，多发于 20-40 岁的中青年群体，患者机体的神经髓鞘的破损和剥落致使其脊髓、大脑及视神经功能受到损害；通常情况下，患者的神经系统残疾在发病一二十年后逐渐加重，会使其丧失自理能力、失明甚至失去生命。

目前多发性硬化症的病因还未明确，与遗传因素，环境因素如病毒感染、地理位置，自身免疫反应等有一定关系。不过，随着科技的进步与研究的发展，关于多发性硬化症的病理性源头科学家们认为可能是中枢神经系统各种大量存在的星形胶质细胞（Astrocytes）。星形胶质细胞（astrocyte），是哺乳动物脑内分布最广泛的一类细胞，也是胶质细胞中体积最大的一种。用经典的金属浸镀技术（银染色）显示此类胶质细胞呈星形，从胞体发出许多长而分支的突起，伸展充填在神经细胞的胞体及其突起之间，起支持和分隔神经细胞的作用。

星形胶质细胞具有许多突起，伸展充填在神经细胞的胞体及其突起之间，起支持和分隔神经细胞的作用，并参与了血脑屏障的形成。由于星形胶质细胞能产生和分泌某些神经递质以及表达某些神经递质受体，可对一些神经活性物质产生反应。另外，星形胶质细胞能对外源性化合物进行生物转化，并可帮助调节神经元周围的离子微环境。外源性化学物质或外伤损伤中枢神经系统后，损伤区域星形胶质细胞通过增生可形成胶质“瘢痕”。

因此，想要了解多发性硬化症的发病机制，需要识别相关的细胞亚群及其控制机制，但目前研究者们对星形胶质细胞的异质性及其在多发性硬化症中的控制还不甚清楚，还需要持续的实验研究工作来发掘其病因作用形式，从而提出可以解决该疾病的可行治疗手段。

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应用案例

2020年2月13日，哈佛医学院 Francisco J. Quintana 研究组在 Nature 发表文章 MAFG-driven astrocytes promote CNS inflammation，通过利用多发性硬化症动物模型、原代细胞培养以及病人解剖样品等多种方面对星形胶质细胞异质性进行研究，发现了多发性硬化症的潜在临床治疗靶点。

多发性硬化症临床相关的动物模型是实验性自身免疫性脑脊髓炎(Experimental autoimmune encephalomyelitis, EAE)模型。关于 EAE 动物模型中星形胶质细胞的转录谱已经略有眉目，但是目前还缺乏标记物为基础的相关分析。因此，作者们使用百日咳毒素注射诱导 EAE 模型后，用髓磷脂少突胶质细胞糖蛋白表位进行免疫，随后通过 Drop-seq 对中枢神经系统中的细胞进行分析。

该实验过程中利用了 MERFISH 技术，其工作原理是将基于特殊距离设计的“条形码”分配给细胞的 RNA，让它们与 DNA 探针库杂交，赋予这些条形码意义，然后通过成像读出这些条形码，确定单个 RNA 分子的特性。并通过多轮成像，同时读出不同基因的原位表达信息。

针对于多路复用的MERFISH 技术，需要高通量、高稳定性、多波段的成像光源，这对传统的汞灯光源而言是不小的挑战。虹科 CELESTA 光引擎是此应用的理想且广泛采用的照明源，它具有七个波段的激光，其中有五个波段可以用于高度多路复用的MERFISH成像技术。

得益于虹科 CELESTA 激光光源，研究者们使用 MERFISH 成像技术量化了九种特异性星形胶质细胞和 T 细胞标记物的表达。

通过对细胞的标记、高通量成像与相关的数据分析，研究者们最终发现以下要点：确定了星形胶质细胞的特点是减少 NRF2 驱动基因表达和增加 MAFG 、MAT2α 信号。在 EAE 期间 NRF2 表达降低的情况下MAFG与MAT2α合作建立 DNA 甲基化标志，进一步促进星形胶质细胞的致病性。并且被招募到中枢神经系统的T细胞产生 GM-CSF 扩大了 MAFG / MAT2α 驱动的促炎反应。这些发现定义了以前未描述的疾病发病机制，并确定了表观遗传修饰是治疗多发性硬化症的候选靶点。

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虹科 CELESTA 光源

虹科 CELESTA 和 CELESTA quattro 光引擎包括4-7个可单独控制的固态激光光源阵列（在400-800nm范围提供7个可选波长），并且支持快速切换。CELESTA 光引擎在1.5mm直径光纤的远端出光，其7个激光器中的每一个都能提供约1000mW的输出功率。

同样，CELESTA quattro 光引擎以相同的输出功率规格提供了一个具有性价比的4或5线选择。激光输出与复杂的控制和监测系统相结合，为旋转盘共聚焦显微镜、空间分辨率转录组学和其它高级成像应用提供所需的高清晰度性能。虹科CELESTA光源的光谱输出与CELESTA实物图

CELESTA 的控制系统位于一个带有嵌入式命令库的板载计算机上。这些命令不仅可以访问输出通道选择、开/关和输出强度调整等基本控制功能，而且还可以访问大量的操作状态报告和可调整的偏好设置面板。一个驻留在板载计算机上的图形用户界面，通过以太网连接用网络浏览器查看，可以方便地访问许多命令库的功能。对于需要快速（100μs）切换的应用，所有输出线都提供 TTL 触发输入。用于稳定的实时性能跟踪和反馈被包括在复杂的交钥匙设计中。