新型3D打印機(jī)器人顯微鏡助力水生生物胚胎研究

2025年1月4日，南極熊獲悉，普利茅斯大學(xué)胚胎表型組研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)十年研發(fā)，推出了一款名為L(zhǎng)abEmbryoCam的自主機(jī)器人顯微鏡。該開源實(shí)驗(yàn)室儀器利用3D打印組件，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)和評(píng)估水生生物胚胎對(duì)環(huán)境變化的反應(yīng)，為水生生物研究提供了前所未有的工具。



表型組學(xué)研究的新利器

根據(jù)該團(tuán)隊(duì)發(fā)表的研究報(bào)告，“在個(gè)體范圍內(nèi)獲取高維數(shù)據(jù)”被稱為表型組學(xué)，已應(yīng)用于人類健康相關(guān)的生物學(xué)研究，如作物科學(xué)和醫(yī)學(xué)。水生生物胚胎由于其體積小、生態(tài)相關(guān)性強(qiáng)、分類多樣性高以及功能、空間和時(shí)間變化程度高等特點(diǎn)，成為該研究領(lǐng)域的天然模型。研究環(huán)境條件如何影響生命早期階段比以往任何時(shí)候都更加重要，這也是該團(tuán)隊(duì)將LabEmbryoCam創(chuàng)建為開源項(xiàng)目的原因。

LabEmbryoCam能夠通過(guò)追蹤胚胎發(fā)育來(lái)自動(dòng)監(jiān)測(cè)水生生物胚胎發(fā)育的早期階段。科學(xué)家可以使用這套多功能系統(tǒng)來(lái)測(cè)量發(fā)育中動(dòng)物的關(guān)鍵特征，如心跳、發(fā)育速度和生長(zhǎng)速度，并可同時(shí)對(duì)大量胚胎的生物過(guò)程進(jìn)行可視化和測(cè)量。



開源設(shè)計(jì)，靈活易用

LabEmbryoCam的硬件和軟件設(shè)計(jì)均已開源，研究人員可以根據(jù)自身需求調(diào)整該表型平臺(tái)。該研究的資深作者、普利茅斯大學(xué)高級(jí)研究員、胚胎表型組創(chuàng)始人Oliver Tills博士解釋說(shuō)：“我們開發(fā)LabEmbryoCam是為了提供一個(gè)便捷的窗口，了解動(dòng)物如何構(gòu)建自身以及環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生的影響。它充分利用了3D打印和人工智能等賦能技術(shù)。LabEmbryoCam使科研人員能夠解決以前無(wú)法解決的復(fù)雜研究問(wèn)題，開源也能使LabEmbryoCam被更多人使用。”


△ 注解腳部組件以確保運(yùn)行期間的振動(dòng)隔離，集成了用于隔離低頻的3D打印片狀彈簧，以及用于隔離高頻的Sorbothane腳墊。

3D打印技術(shù)降低成本，提升創(chuàng)新空間

LabEmbryoCam是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，由消費(fèi)電子產(chǎn)品、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)裝置、單板計(jì)算機(jī)和FDM 3D打印組件構(gòu)成，并構(gòu)建在鋁擠壓框架內(nèi)。這是一個(gè)多功能平臺(tái)，研究人員表示，它最初的設(shè)計(jì)和優(yōu)化目標(biāo)是“對(duì)在多孔板格式中培養(yǎng)的發(fā)育中水生生物胚胎進(jìn)行延時(shí)成像”。

團(tuán)隊(duì)在研究報(bào)告中寫道：“在可行的情況下，我們使用3D打印部件以最大限度地降低成本，并減少對(duì)供應(yīng)鏈的依賴。”3D打印的一大優(yōu)勢(shì)是能夠定制設(shè)備，這對(duì)實(shí)驗(yàn)室和潔凈室都很有幫助。用于制造LabEmbryoCam的一些FDM部件包括：安裝在每個(gè)角落的3D打印板簧，以減少成像過(guò)程中環(huán)境振動(dòng)的影響；以及3D打印加濕室，以應(yīng)對(duì)多孔板格式延時(shí)成像過(guò)程中的蒸發(fā)挑戰(zhàn)。LabEmbryoCam總共使用了100多個(gè)3D打印部件，其STL文件可在Zenodo存儲(chǔ)庫(kù)中獲取。


△ CAD渲染了不同版本的LabEmbryoCam（LEC）的組裝情況。A) V1 LEC使用通用鋁型材和自支撐支架構(gòu)建，B) V2 LEC采用Rexroth鋁型材、盲接頭，并包括一個(gè)蓋子。尺寸：寬450毫米，深390毫米，高475毫米。

應(yīng)用前景廣闊

Tills博士表示：“LabEmbryoCam使用戶能夠在生命最活躍、通常也是最敏感的時(shí)期應(yīng)用表型組學(xué)。這些儀器已被證明對(duì)理解胚胎功能至關(guān)重要，而且這些反應(yīng)與生命后期相比有顯著差異。這對(duì)于理解全球和海洋變暖對(duì)單個(gè)物種的影響，以及識(shí)別對(duì)未來(lái)地球可能出現(xiàn)的環(huán)境條件具有適應(yīng)力的物種、種群和個(gè)體至關(guān)重要�！�

LabEmbryoCam背后的團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)專門的表型組學(xué)設(shè)施，以支持胚胎表型組的研究。除了將該系統(tǒng)開源外，研究人員還通過(guò)Phenomyx CIC（一家社區(qū)利益公司）銷售該系統(tǒng)，該公司致力于支持研究人員將表型組學(xué)方法應(yīng)用于發(fā)育中動(dòng)物的研究。該儀器已銷往英國(guó)和美國(guó)的客戶，其組件在Phenomyx CIC位于普利茅斯科技園的基地進(jìn)行3D打印和組裝。此外，普利茅斯大學(xué)的研究人員還將LabEmbryoCam帶到了印度洋進(jìn)行考察，以支持對(duì)圣誕島紅蟹生命早期階段的研究。