• No results found

Optical Sectioning using Light Sheet Microscopy: In Vivo Imaging with Astounding Resolution Webinar 14 June 2012

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Optical Sectioning using Light Sheet Microscopy: In Vivo Imaging with Astounding Resolution Webinar 14 June 2012"

Copied!
30
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Optical Sectioning using Light Sheet Microscopy: 

In Vivo Imaging with Astounding Resolution 

Webinar 

14 June 2012 

  [0:00:23]  Slide 1  Sean Sanders:  Hello everyone and welcome to this Science/AAAS webinar. I’m Sean  Sanders, editor for custom publishing at Science.      In this webinar, we’re taking a detailed look at a relatively new and  exciting  imaging  modality  known  as  light  sheet  microscopy  or  selective  plane  illumination  microscopy  also  known  as  SPIM.  This  technique  is  an  extremely  powerful  alternative  to  established  fluorescence  imaging  techniques  especially  when  it  comes  to  3D  imaging deep within tissue or within whole live organisms. It is also  fast,  high  resolution,  and  suitable  for  fragile  samples  since  photo  bleaching is minimal. 

 

  We  are  fortunate  to  have  an  extremely  knowledgeable  panel  of  experts with us today who will provide us with both interesting and  beautiful data captured using this exciting new technology.  It is my  pleasure  to introduce  my  studio  guests,  all  of  whom  have  travelled  all  the  way  from  Germany  to  be  with  us  today.  First,  we  have  Dr.  Ernst Stelzer from Goethe University in Frankfurt. Next, we have Dr.  Pavel  Tomancak  from  the  Max  Planck  Institute  of  Molecular  Cell  Biology  and  Genetics  in  Dresden  and  finally  we  have  Dr.  Lars  Hufnagel  from  the  European  Molecular  Biology  Laboratory  in  Heidelberg. A warm welcome to all of you. Thanks for being here.    Dr. Ernst Stelzer:  Thanks for having us.    Dr. Pavel Tomancak:  Thanks.    Dr. Lars Hufnagel:  Thanks.   

Sean Sanders:  Before  we  get  started,  we’re  going  to  give  you  some  important  information for the audience. Note that you can resize or hide any of  the windows in your viewing console. The widgets at the bottom of  the console control what you see. Click on these to see the speaker 

(2)

bios,  additional  information  about  technologies  related  to  today's  discussion, or to download PDFs of the slides. 

 

  Each  of  our  speakers  will  talk  briefly  about  their  work.  After  which  we will have a Q&A session during which our guests will address the  questions submitted by our live online viewers. So if you're joining us  live,  start  thinking  about  some  questions  now  and  submit  them  at  any  time  by  typing  them  into  the  box  on  the  bottom  left  of  your  viewing console and clicking the submit button. If you can't see this  box, just click the red Q&A icon at the bottom of the screen. Please  remember,  keep  your  questions  short  and  concise,  as  this  will  give  them the best chance of being put to our panel. 

 

  You can also log in to your Facebook, Twitter, or LinkedIn accounts  during the webinar to post updates or send tweets about the event,  just  click  the  relevant  widgets  at  the  bottom  of  the  screen.  For  tweets, you can add the hash tag, #sciencewebinar. 

 

  Finally,  thank  you  to  Carl  Zeiss  microscopy  GmbH  for  sponsoring  today's webinar. 

  Slide 2 

  Now,  I'd  like  to  introduce  our  first  speaker,  Dr.  Ernst  Stelzer.  Dr.  Stelzer studied physics as an undergraduate at the Goethe University  in Frankfurt and completed his Ph.D. at the University of Heidelberg.  He  held  various  positions  at  the  European  Molecular  Biology  Laboratory  for  over  28  years  before  becoming  a  professor  for  Physical  Biology  at  Goethe  University.  Dr.  Stelzer’s  interdisciplinary  work has bridged the gaps between optical physics, instrumentation  development,  molecular  cell  biology,  physical  biology,  and  mathematics. His work has been integral in the development of light  sheet  fluorescence  microscopy  as  well  as  a  number  of  other  microscopy devices, resulting in over 220 publications and about 20  patent  applications.  Dr.  Stelzer’s  research  goal  is  to  develop  and  apply  instruments  as  well  as  specimen  preparation  techniques  that  allow  for  the  efficient  and  high‐resolution  observation  and  analysis  of biological specimens. Welcome, Dr. Stelzer, and good to have you.   

Slide 3 

Dr. Ernst Stelzer:  Thank you very much for the kind introduction, Sean. So what I will  talk  about  is  briefly  you  an  introduction  to  light  sheet  based  fluorescence microscopy and in particular, I want to make sure that  you  really  understand  why  photo  bleaching  and  phototoxicity  are  reduced and why this is really useful for three‐dimensional imaging. 

(3)

  Slide 4 

  Before I start, I really want to give credit to a number of people who  have  contributed  to  this  talk  so  particularly  Francesco  Pampaloni,  Daniel  von  Wangenheim,  Christian  Mattheyer  from  the  current  group  of  people  in  my  lab  and  from  the  alumni  in  particular  Philip  Keller, Uros Krzic, Emanuel Reynaud, Klaus Greger, Jim Swoger, and  also Jan Huisken. 

  Slide 5 

  Now  we’ve  been  working  on  light  sheet‐based  fluorescence  microscopy  or  light  sheet  microscopy  for  probably  almost  20  years  essentially  directly.  We  worked  on  the  physics;  we  built  the  instrumentation,  hardware,  and  software.  We  applied  the  instruments  in  developmental  biology,  in  cell  biology,  and  also  in  biophysics. 

  Slide 6 

  The  motivation  has  always  been  to  make  sure  that  we  work  with  three‐dimensional  specimens,  that  we  are  able  to  look  at  life,  multiple  processes  as  a  function  of  time,  and  that  we  maintain  the  specimens  on  the  conditions  that  are  relevant.  Then  of  course,  we  use  fluorescence  microscopy  because  it  provides  us  spatially  and  temporally  resolved  information  and  we  monitor  several  of  those  signals with a certain precision or resolution over a certain period of  time.    [0:05:17]  Slide 7    Now the basis somehow for light sheet microscopy is that you don’t  use a single lens as you do for epi or diode fluorescence microscopy,  but you rather split it up and you use one lens for the illumination of  the specimen and a second lens for the detection of the light.    Slide 8    That is what we call an azimuthal or a kind of theta arrangement.    Slide 9 

  The  big  advantage  is  that  the  light  does  not  –  let’s  see,  the  illumination  light  actually  passes  of  course  through  the  entire  specimen, but we are really restricting ourselves in the way that we  collect the light and I’ll come back to that a little bit later. 

 

(4)

  So when we started with this, we called this a theta microscope and  this  is  briefly  sketched  here.  So  at  that  time,  we  had  a  high  NA  illumination and a high NA detection system. 

 

Slide 11 to Slide 13 

  That  had  the  advantage  that  you  only  illuminated  certain  volume  elements  that  you  did  not  observe  and  on  the  other  hand,  you  observed  for  all  the  elements  that  you  never  illuminated  and  essentially you take the product of the two points spread functions  and that gives you a kind of isotropic resolution.    Slide 14    We could demonstrate this. So at the bottom for example, you see  images of small latex beads on the left‐hand side recorded with the  confocal  and  then  the  right‐hand  side  with  one  of  those  confocal  theta microscopes. You see quite nicely that that axial resolution has  dramatically  improved  here  in  these  cases  and  that  could  also  be  shown with biological specimens.    Slide 15 to Slide 18    Now for the light sheet microscopy, we moved this whole concept a  little bit further and we don’t use high NA illumination but rather low  NA illumination. We not only illuminated a single point but rather an  entire  light  sheet  and  that  allows  us  actually  to  record  millions  of  pixels in parallel. 

 

Slide 19  

  This  is  just  sketched  again  here  in  this  simple  drawing.  So  we  just  illuminated a small block within the specimen and as you can see, we  only  illuminated  that  part  that  we  actually  observe.  So  neither  in  front  nor  behind  this  light  sheet  do  we  excite  any  fluorophores.  So  we do not bleach those fluorophores and they do not contribute of  course to the blurring of the whole system and of course, we do not  introduce any phototoxicity in those areas. 

 

  The  advantage  of  the  light  sheet  can  be  seen  quite  easily.  In  a  conventional microscope, you would illuminate the entire specimen  and here we only illuminate that part that we actually observe and  therefore you have an improvement or a reduction in phototoxicity  or photo bleaching, which can be easily a factor of 300 or even more  for optic specimens.    Slide 20 to Slide 21 

(5)

  Then of course you can move the specimen through the light sheet  or  the  light  sheet  through  the  specimen  and  then  you  can  record  stacks  of  images  such  as  these.  These  are  all  recordings  that  were  done by Daniel von Wangenheim in my group. You have a copepod  in  the  upper  left  or  a  polycystic  mouse  kidney  in  the  upper  right.  There’s a part of a zebrafish in the lower left and Arabidopsis in the  lower  right.  You  see  that  the  images  are  really  crisp.  You  really  get  the  optical  section  that  you  want  and  I  should  also  add  that  the  recording  is  really  fast.  You  can  easily  record  these  data  sets  with  much,  much  less  than  a  minute  probably  even  just  10,  20  seconds.  But the dynamic range is very, very high and you have a really good  signal. 

 

Slide 22 to Slide 23 

  Now  the  other  thing,  as  I  said,  we  really  tried  to  maintain  the  specimens  under  conditions  that  resemble  close  to  natural  conditions so we keep them in these chambers. We try to also keep  the temperature in these chambers. 

 

Slide 24 to Slide 28 

  What  we  can  also  do  due  the  way that  the  system  is  arranged  and  we  may  come  back  to  that  a  little  bit  later  is  we  can  rotate  the  specimen. So we can not only record stack a long a single direction,  but we can record it along multiple directions. That gives us kind of  complementary views and you can fuse the data.    Slide 29    This collection just shows you a number of those datasets where you  see  pictures  from  yeast  in  the  upper  panel  down  to  pictures  of  medaka  fish  here  recorded  by  Philip  Keller,  zebrafish.  Also  the  drosophila dataset, the two nice datasets you see on the lower right  side  where  a  drosophila  has  been  recorded  a  single  direction  and  along multiple direction that was done by Jim Swoger. 

 

Slide 30 to Slide 32 

  Now, we are currently using the system in cell biology, though really  very  briefly  where  we’re  using  it  mainly  for  three‐dimensional  cell  biology for example to look at cellular spheroids, which you can look  at very nicely with light sheet microscopes and you can really get the  full view of those relatively large objects.    [0:10:02]  Slide 33 

(6)

  We’ve worked a lot on developmental biology. That’s something you  will hear much more about by my colleagues here in a few minutes.   

Slide 34 

  What  we’re  trying  to  push  now  is  plant  biology  because  that’s  just  really an area where not so much microscopy has been done. 

 

Slide 35 

  These are datasets that were recorded by Daniel von Wangenheim in  my  group  and  you  really  see  quite nicely  the  lateral  root  growth  in  Arabidopsis.  You  may  also  notice  that  this  is  a  very  long  recording,  it’s about 75 hours, but we can keep the microscope stable over that  period. 

 

Slide 36 

  We  also  illuminate  the  specimen  I  should  say  so  we’re  really  try  to  keep  16  over  hours  day‐night  cycle  here  in  this  case  and  you  can  really see with very, very great precision how the lateral root actually  grows. Here in this case, you really see minute changes here in the  positioning of for example the different cells.    Slide 37    Okay. What do these instruments look like? There have been many  different implementations.    Slide 38 to Slide 39 

  This  is  one  that  we  call  the  digital  scanning  light  sheet  microscope  because we create the light sheet not with a simple cylindrical lens  but rather by scanning the system. Here’s one where you really see  the  basic  ideas.  You  see  the  camera  at  the  back  and  then  the  chamber  here  on  the  front,  front  right  side.  You  also  see  that  it’s  completely  open  and  that  is  why  we  can  actually  illuminate  the  specimen for example here with the plants or we can also introduce  micromanipulation technology.    Slide 40    The chambers can be made of different sizes. You can use different  lenses and so on. You may notice there’s nothing to adjust in these  systems. Really, in a certain sense, they are adjustment free, which  of course really facilitates biological research.    Slide 41 to Slide 44    Then of course, you can think about other designs, illuminating from  two  sides  or  observing  and  illuminating  along  multiple  directions. 

(7)

That  is  also  something  that  we  always  had  on  our  mind  and  it  doesn’t have to be symmetric. Depending on the kind of questions,  you can also think about completely asymmetric systems for that.    Slide 47    With this, I want to thank you and I’d like to hand over to the next  person.    Sean Sanders:  Great. Thank you very much, Dr. Stelzer.    Slide 48 to Slide 49    Our second speaker for today is Dr. Pavel Tomancak. Dr. Tomancak  did  his  undergraduate  studies  in  the  Czech  Republic  before  completing  his  Ph.D.  in  developmental  biology  at  the  European  Molecular Biology Laboratory in Heidelberg, Germany. He conducted  his postdoctoral work at the University of California, Berkeley and he  is  currently  a  research  group  leader  at  the  Max  Planck  Institute  of  Molecular  Cell  Biology  and  Genetics  in  Dresden,  Germany.  Dr.  Tomancak's  laboratory  is  using  genomics  approaches  to  investigate  the role of tissue specific gene expression regulation in development  and evolution of Drosophila embryos. His laboratory has developed  molecular,  imaging,  and  image  analysis  approaches  to  describe  the  dynamic patterns of gene expression during development with high  resolution  in  space  and  time,  making  use  of  SPIM  technology  as  a  cornerstone of their research. Welcome, Dr. Tomancak. 

 

Dr. Pavel Tomancak:  Thank you very much, Sean. So what I would like to discuss here is  the  impact  that  SPIM  technology  might  have  on  developmental  biology. 

 

Slide 50 

  As  a  development  biologist,  what  I’m  interested  in  how  the  information, which is contained in the genome, is transformed into  the  spectacular  cellular  behavior,  which  constitutes  animal  development.  In  this  case,  we  are  looking  Drosophila  development  and  we  can  make  a  very  convincing  argument  that  the  most  direct  manifestation of the program, which is written in the genome, is the  tissue‐specific regulation of gene expression. 

 

Slide 51 

  So by describing when and where genes are active in development,  we  come  a  long  way  towards  understanding  this  information  transfer. 

(8)

Slide 52 

  We  have  a  very  nice  technique,  which  allows  us  to  universally  just  having  the  genome  sequence  available  make  a  probe  for  any  particular  gene  in  the  genome,  mix  the  probe  with  the  specimen,  and visualize where and when a gene expressed. 

 

Slide 53 to Slide 54 

  We  document  this  by  collecting  a  lot  of  images,  which  describe  various aspects of the pattern and we put those images in databases,  which describe also how does a pattern develop across time as you  look  left  to  right.  We  corroborate  these  measurements  by  independent techniques such as micro arrays and we describe what  we  see  in  the  imaging  using  a  controlled  vocabulary  annotation  making  statements  about  the  patterns,  which  can  be  used  for  computational analysis. 

 

Slide 55 

  Now this in Drosophila has been done on a quite large scale. Of the  14,000 genes in the genome, we have expression patterns for about  half  of  them  in  the  embryo  and  we  also  have  a  lot  of  data  about  other  developmental  active  tissues  such  as  imaginal  disc  or  the  ovaries.  What  all  these  datasets  have  in  common  is  that  they  are  looking  at  fixed  dead  specimen,  which  are  inherently  three‐ dimensional. 

 

Slide 56 

  So,  what  we  would  really  like  to  do  in  the  future  is  to  be  able  to  describe them in their three‐dimensional, let’s say, beauty and also  to be able to look at the dynamics, how they develop. And to be able  to  combine  these  various  ways  of  describing  the  pattern  into  a  better understanding of what impact the tissue specific regulation of  gene expression has on development.    [0:15:15]  Slide 57    We think that SPIM technology is an ideal method to visualize large  specimen in a live setting. The principle has been described before.  What I will be showing to you are examples of specimen, which have  been  imaged  using  the  size  prototype  of  SPIM.  What  is  very  important to note here that for imaging of large specimen, in SPIM  the specimen is mounted in a rigid medium such agarose. It is placed  in front of the lens and it can be rotated so that one can acquire the  specimen  from  different  angles  and  cover  even  the  largest  of  samples. 

(9)

 

Slide 58 

  I’ll  show  you  some  examples  of  what  can  be  imaged  with  SPIM.  So  on top, you see the imaging of the entire larva of Drosophila. In the  middle part, there is ovario [0:16:03] [Phonetic] which is the process  how  the  oocyte  is  being  formed  and  on  the  bottom  part  you  have  the  entire  C.  elegans  worm  where  we  zoom  in  a  four‐cell  stage  C  elegans embryo. 

 

Slide 59 

  But one can image in very much large specimens such as the entire  mouse  embryo  or  as  Ernst  has  shown  us  spectacularly  SPIM  is  very  good for live imaging of zebrafish development. 

 

Slide 60 

  The imaging is not limited only to a model organism. A postdoc in my  lab  is  using  the  technology  to  study  the  morphogenesis  of  the  various  appendages  on  a  crustacean  body  plan  and  he  is  using  live  imaging to follow the fate and the movements of the cells to explain  how  it  comes  that  the  different  appendages  arrive  at  a  different  shape and specialization. 

 

Slide 61 

  Now in order to get this kind of full three‐dimensional reconstruction  of the specimen, in SPIM it is important to solve a problem that we  are  imaging  the  same  specimen  from  different  angles.  We  are  collecting  large  three‐dimensional  image  data.  The  signal  is  degrading along both illumination and detection axis and in order to  put this data together, these large image segs have to be registered.  Importantly, the specimen is also changing.    Slide 62    So we have some elegant solution to this problem using the fact that  the  specimen  is  embedded  in  the  rigid  medium,  we  add  subresolution of fluorescent beads around the specimen and we use  them  as  the  fiduciary  markers  to  achieve  the  registration.  It  goes  very simply. We find the beads in the different views. We establish  which  of  the  beads  between  the  different  views  are  the  same  and  then  we  minimize  the  displacement  of  the  beads,  which  are  the  same. 

 

Slide 63 

  This can be visualized on the following video. What you are looking  at  here  is  a  Drosophila  embryo,  which  has  been  imaged  from  18 

(10)

different angles. The beads are colored according to how much they  are displaced. At the beginning, they were maximally displaced. The  displaced,  they  were  completely  red.  Now,  the  optimization  is  bringing the corresponding beads together and importantly this will  work  regardless  of  what  the  specimen  is  inside.  In  this  case,  it  is  Drosophila, but it will work on any kind of specimen. 

 

Slide 64 

  Now very important thing is that we have brought this solution to an  open source, a platform, which is called Fiji. But this program can be  used  by  the  biology  community  even  now  for  reconstructing  multi‐ angle data such as SPIM and it’s also open to further improvement  when new algorithms will become available.    Slide 65    Now, in terms of imaging, what SPIM gives us  for Drosophila is the  ability to really cover the entire specimen with isotropic resolution. If  you  image  the  Drosophila  embryo  from  a  single  angle,  you  will  see  that  your  latero  and  axio  resolutions  are  quite  different.  But  if  you  construct appropriately five different views, what you will see on the  right side is that the latero and the axio resolution are quite similar  so you are really isotropically covering almost the entire specimen.   

Slide 66 

  What  is  also  nice  is  that  you  can  do  that  on  a  living  specimen.  You  can  do  it  relatively  fast.  On  this  movie,  we  are  looking  at  a  single  embryo  where  every  single  cell  is  expressing  a  histone  5  P  marker  and  we  are  imaging  this  embryo  continuously  from  five  different  angles every about five minutes. This is not as fast as what you will  see  in  the  next  presentation,  but  even  this  gives  us  a  very  good  overview  of  all  the  spectacular  morphogenetic  movements,  which  are happening during the development of Drosophila. 

 

  Now  for  developmental  biologists,  this  kind  of  data  is  extremely  exciting and it opens up new ways of asking questions. What I found  very  striking  is  that  the  SPIM  technology  is  actually  also  relatively  simple to realize physically. 

 

[0:20:06]  Slide 67 

  So  that’s  why  we  have  started  the  so‐called  Open  SPIM  project,  which is a simple SPIM‐like microscope, which can be assembled for  less than 20,000 Euros. 

(11)

Slide 68 

  We  call  this  Open  SPIM  because  our  intention  is  to  release  on  the  internet in form of a wiki page all the detailed instructions of what  one  has  to  buy  to  build  such  a  scope  and  all  the  step‐by‐step  procedures to build it. So, it should be actually as easy to assemble it  as if you are assembling a piece of Ikea furniture. 

 

Slide 69 

  Most  importantly,  we  will  also  provide  you  with  open  source  software, which is based on Fiji, which will be actually able to drive  this microscope. So there will be truly a synergy between the open  software  and  hardware,  which  will  allow  us  to  further  develop  this  technology in a kind of collaborative manner. 

 

Slide 70 

  This  scope  actually  exists.  It  is  very  small  and  it  can  be  put  into  a  suitcase. The idea here is to be able to bring such a scope with us to  a  meeting.  However,  one  has  to  say  that  it  is  very  difficult  to  pass  this kind of suitcase through airport security. 

 

Slide 71 

  Finally, I would like to say what is the motivation, which we have to  actually do this kind of Open SPIM development. What we intend to  do  is  to  image  tens,  hundreds,  and  eventually  thousands  of  expression  patterns  during  the  development  of  Drosophila.  This  process takes inherently 24 hours and so one scope will be occupied  for one day. 

 

Slide 72 

  In  order  to  achieve  any  kind  of  throughput  in  this  kind  of  imaging,  what  we  have  to  do  is  to  parallelize.  Open  SPIM  allows  us  to  build  many  such  setups  and  feed  the  data  directly  into  the  Fiji  platform  where  we  have  developed  ways  how  to  register  them,  how  to  put  them together, and how to analyze them further on.    Slide 73    So I will end here by saying that from my point of view, I believe that  every developmental biologist should have such a microscope.    Slide 74 to Slide 75 

  There  are  many  questions,  which  can  be  solved  with  the  high  end  setups,  which  allow  you  to  image  entire  development  with  unprecedented resolution eventually being able to follow each cell.  But  there  are  many  other  samples,  which  can  be  imaged  with  this 

(12)

technology  and  therefore  it  is  also  important  that  there  is  a  broad  range  of  solution,  which  can  be  adapted  to  various  developmental  circumstances. 

 

Slide 76 

  Now  finally,  we  also  would  like  to  be  able  to  parallelize  the  acquisition  with  the  SPIM  scope  and  for  that  we  believe  that  one  way how to do that is to open source the whole setup. 

 

Slide 77 

  So at the end, I would like to thank the people who participated in  this  particularly  the  co‐PI  on  the  Open  SPIM  project  is  Jan  Huisken  and the work on the Open SPIM has been done by Pete Pitrone and  Johannes  Schindelin  who  wrote  the  software.  The  software  development I described to you has been performed by Stephan on  the left. Thank you. 

 

Sean Sanders:  Wonderful.  Thank  you  so  much,  Dr.  Tomancak.  Fantastic  slides.  It’s  really interesting stuff.    Slide 78    I’m very much looking forward to our final presentation and that is  by Dr. Lars Hufnagel.    Slide 79 

  Dr.  Hufnagel  completed  his  Ph.D.  at  the  Max  Planck  Institute  for  Dynamics and Self‐Organization in Göttingen, Germany and went on  to  do  postdoctoral  research  training  at  the  Kavli  Institute  of  Theoretical Physics in Santa Barbara, California. He has been a group  leader  in  the  Cell  Biology  and  Biophysics  Unit  at  the  EMBL  in  Heidelberg, Germany since 2007, and in 2010 became a joint group  leader at the Center for Modeling and Simulation in the Biosciences.  Dr.  Hufnagel’s  research  interests  include  biophysics,  microscopy,  optics,  developmental  and  cell  biology,  and  biophysical  modeling.  Welcome, Dr. Hufnagel. 

 

Dr. Lars Hufnagel:  Thanks for having me. So I hope your talks stimulate you a little bit to  go more into light sheet microscopy. What I want to tell you about is  basically two stories. As Pavel already said, we’re trying to squeeze  out  the  maximum  end  speed  and  resolution  from  the  light  microscopy techniques and then the other part I’m going to tell you  about  is  how  one  can  also  use  these  light  sheet  microscopy  techniques  to  get  information  about  protein  concentration  and  protein diffusion within single cells. 

(13)

 

[0:25:09]  Slide 80 

  So  to  gain  a  deeper  understanding  of  fundamental  biological  processes, it’s always important or it’s necessary integrate from the  subcellular  scale  to  the  full  organismal  scale  and  this  poses  tremendous  challenges  for  microscopy  techniques.  For  example,  if  you want to image a Drosophila embryo, you will need around 400  million points in order to evenly cover the full embryo. So if you do  this on standard confocal microscope, it will take about 400 seconds  to  image  the  entire  embryo.  In  addition,  that  it’s  very  slow,  it  will  also  have  a  very  high  phototoxicity  and  bleaching  and  the  background will also be very high. So this clearly called for new novel  and  in  particular  very  fast  imaging  techniques  that  can  bridge  the  scales from the subcellular resolution to the full organismal scale.   

Slide 81 

  So,  we  have  developed  a  microscope  as  you  can  see  here  that  is  capable  of  for  example  imaging  a  Drosophila  embryo  within  just  a  few  seconds.  We  named  this  microscope  MuVi‐SPIM  for  MultiView  Selective  Plane  Illumination  Microscopy  and  you  can  think  of  it  as  basically  four  SPIMs  in  one.  So  it’s  based  around  two  illumination  and  two  detection  objectives,  has  two  high  speed  and  high  sensitivity  cameras  attached  to  it,  and  it  can  operate  at  speed  of  something  around  100  to  200  frames  a  second.  So  this  microscope  not only allows you to image with very high speeds, but it also makes  the  data  processing  much,  much  easier  which  I’m  just  going  to  present to you in a little bit in the next slide. 

 

Slide 82 

  So as Pavel already said in the imaging specimen that also gets light  illuminated, it’s important to image it from multiple sides so that one  can  image  the  entire  specimen.  So  as  said  MuVi‐SPIM  images  illuminates from two directions and has two detection directions so  it gives you four views of the sample and without any rotation. This  makes the data processing much, much easier. So the four views that  the MuVi‐SPIM takes to register all these texts and transform them  into a common coordinate system, the transformation is solely given  by  the  optical  setup.  This  transformation  can  be  calculated  or  measured before the actual experiment and then the transformation  can  be  online  in  real  time  is  the  image  is  acquired.  So  MuVi‐SPIM  basically generates you in real time a high quality 3D, single 3D data  spec of your specimen. 

(14)

Slide 83 

  So  now  let’s  put  MuVi‐SPIM  to  the  task.  So  we  imaged  the  entire  development of a Drosophila embryo. So here, you see a Drosophila  embryo that expresses a histone marker with and M cherry so it’s a  red  fluorophore  attached  to  it.  On  the  left‐hand  side,  you  see  the  future head of the fly. On the right‐hand side, it’s the posterior pole  and  we’re  looking  at  the  ventral  part.  This  movie  basically  shows  with  very  high  temporal  and  spatial  resolution  all  hallmarks  of  Drosophila development from ventral furrow formation, convergent  extension, germ band retraction, dorsal closure and we’re even fast  enough  to  image  true  muscle  activities,  which  we  will  see  in  a  few  seconds.  More  importantly,  it  is  to  note  that  this  embryo  after  imaging  hatched  and  was  a  perfectly  viable  larvae  after  all  this  imagine procedure. 

 

  So  the  pure  imaging  time  for  four  stacks  was  almost  a  little  bit  smaller  than  10  seconds  for  the  full  four  views  and  the  maximum  imaging, the total imaging time was 24 hours. 

 

  So also one thing one obviously gets if one asks for speed is that also  one gets a lot of data. So this movie has a total of 8 terabytes of data  and  then  one  needs  also  to  think  about  how  to  handle  this  data  in  particular  if  one  wants  to  scan  through  many  different  embryo’s  genetic types. 

 

Slide 84 

  So this slide shows you our IT infrastructure around the microscope  and  so  the  MuVi‐SPIM  in  the  middle  we  control  by  real‐time  computer that does all the time critical controls for the microscope  and then we use high end SCMOS sensors, which can generate high  data rates of between 1 and 2 gigabytes per second. So this data is  then  collected  by  individual  or  specific  computers,  which  are  attached  to  the  camera  and  we  use  fiberoptic  cables  to  then  store  the  data,  bring  the  data  to  long‐term  storage  or  to  clusters  that  analyze the data further. 

 

Slide 85 

  So we’ll show you another movie that now with this high speed we  achieve imaging of a full Drosophila embryo just in five seconds. It is  actually  quite  easy  to  now  track  nuclei  as  these  nuclei  now  move  very little from one time point to the next time point. This way, we  can track nuclei through many divisions as you see here in one view  of  the  Drosophila  embryo,  which  is  in  the  blastoderm  stage  where  we track nuclei from cycle 9 to 14. 

(15)

  [0:30:16]  Slide 86    Obviously, MuVi‐SPIM cannot just be used for imaging nuclei, but it  can also be used to image for example membranes or other cellular  components. So here, we image the Drosophila embryo expressing a  membrane  marker  and  this  embryo  was  actually  imaged  now  with  eight  views  so  we  rotate  it  once  by  90  degree.  I  hope  you  can  appreciate  that  you  see  in  the  insert  in  the  blow‐up  region  that  there’s no displacement with the membranes. So actually even with  90‐degree rotation, we’re fast enough to really get an instantaneous  view of the embryo.    Slide 87    So before closing our presentation, I just want to also show you that  you can push this light sheet microscopy also to gain information and  very  quantitative  information  over  protein  dynamics  within  single  cells  or  even  organs  and  this  was  a  collaboration  with  Malte  Wachsmuth  and  Michael  Knop  at  EMBL.  So  what  we  did  there,  we  illuminated with a very high angle, a very high end A objective so to  generate a very thin light sheet. This light sheet is well below half a  micrometer  thin  so  it  gives  a  very,  very  good  optic  sectioning,  however, it’s very short, but it’s still long enough to image an entire  mammalian cell for example or a tissue. 

 

  So on the right‐hand side, you see a comparison between light sheet  microscopy optical sectioning and a confocal and we basically get the  same  volume,  3D  volume  as  a  confocal  microscope  with  this  light  sheet microscope. 

 

Slide 88 

  So now, this light pad as we call this very thin sheet of light can now  be  imaged  on  a  high  speed  EMCCD  camera  as  you  see  on  the  left‐ hand side and every pixel corresponds basically to a confocal volume  in the specimen. Now when proteins move in and out of this volume,  they  give  little  fluctuations  of  their  intensity  signal  and  these  fluctuations  can  then  be  analyzed  and  from  this  one  can  calculate  what the diffusion constant is, what the concentrations are. This we  have done for mammalian cells and for various systems, but what I  present  here  on  the  bottom  part  is  Drosophila  wing  imaginal  disc  where  we  expressed  the  nuclear  marker,  which  can  freely  diffuse  inside  the  nucleus  but  not  outside  the  nucleus.  On  the  right‐hand  side,  you  can  see  first  of  all  the  intensity  profile,  the  measured  concentration we’re getting, and the diffusion constant and this is in 

(16)

very  good  agreement  with  confocal  FCS  measurements,  but  here  it  really  is  an  imaging  method  which  gives  you  a  two‐dimensional  landscape instead on the confocal FCS system you would just get  a  single point. 

 

Slide 89 

  Let  me  just  thank  the  people  involved  in  this  project.  So  first  of  all  my  lab  and  there  Uros  Krzic  is  the  main  person  developing  the  microscope  and  then  Stefan  Gunther,  Timothy  Saunders,  and  Sebastian  Streichan  basically  complete  the  light  sheet  microscopy  team. Then I’ll obviously thank the the core facilities for building the  microscope  and  in  particular  I  would  also  like  to  thank  Malte  Wachsmuth,  Michael  Knop,  and  Jeremie  Capoulade  for  the  project  on the SPIM‐FCS. Thank you very much. 

 

Sean Sanders:  Fantastic.  Thank  you  very  much,  Dr.  Hufnagel.  Really  fantastic  talks  from all of our speakers so I want to thank them very much for their  exciting presentations.    Slide 90    We’re going to move right on to questions submitted by our viewers,  but a quick reminder to those watching us live, you can still submit  your  questions  by  typing  them  into  the  textbox  and  clicking  the  submit button. If you don’t see the box on your screen, click the red  Q&A  icon  and  it  should  appear.  Also  just  a  note  to  our  viewers,  I  know  some  of  you  had  some  trouble  viewing  some  of  the  videos,  they  are  quite  large  files,  but  this  webinar  will  be  made  available  within approximately 24 to 48 hours so you can watch it again and  view those videos. You can also download the slides in the resources  widget. 

 

  So the first question I’m going to put to all of you and I think I’ll start  with  Dr.  Tomancak  because  they  do  mention  embryos,  and  this  viewer asks what are the biggest challenges for sample preparation  in light sheet microscopy especially for embryos? 

 

Dr. Pavel Tomancak:  Okay. So I think it’s actually relatively simple to mount embryos. In  fact,  one  just  has  to  kind  of  abandon  the  idea  of  using  slides  and  change the whole attitude. But at the end of the day, all you have to  do  is  to  essentially  put  your  specimen  into  a  rigid  medium  such  as  agarose  and  that  essentially  can  be  done  by  mixing  the  specimen  with adaptively a hot agarose and sucking into a glass copula. So this  is  something,  which  can  be  done  in  a  matter  of  seconds  and  this  works  beautifully  for  the  embryos  like  the  Drosophila.  For  some 

(17)

specimens,  which  are  maybe  a  little  bit  larger  or  they  need  some  space  to  grow;  one  might  need  to  do  a  little  bit  more  elaborate  micromanipulation  to  get  the  specimen  into  the  microscope.  But  I  think developmental biologists have all the necessary skills to do so  and one can really adapt the sample mounting strategy to almost all  specimens one is actually interested in looking at.    [0:35:17]  Sean Sanders:  Dr. Stelzer?    Dr. Ernst Stelzer:  Well I think the first thing you should do is relax.    Sean Sanders:  [Laughs]    Dr. Ernst Stelzer:  It has been clear that the sample mounting is totally different than in  a  regular  microscope  and  I  really  think  that  should  be  seen  as  an  opportunity. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. 

 

Dr. Ernst Stelzer:  Yeah.  So  you  can  really  now  try  to  mount  whatever  specimen  you  have in such a way that it really resembles the natural conditions to  really  work  on  the  conditions  that  are  very  close  to  natural  conditions. That’s really I think the goal that we should have anyway  for the next few years. So I always try to point out that cells simply  do  not  grow  on  coverslips.  They  grow  on  coverslips  because  we  require the coverslips to look at them in a regular microscope but in  fact,  when  we  look  at  real  tissues,  cells  grow  on  top  of  other  cells.  They  are  enabled  by  other  cells.  They  generate  their  own  microenvironment and that is really what we want to maintain and  that is the kind of biology that we want to push well in the next 50  years or so.    Sean Sanders:  Dr. Hufnagel, anything to add?    Dr. Lars Hufnagel:  Yeah. I agree with what Pavel said. So I think one just needs to step  out of his comfort zone a little bit from using standard Petri dishes  and then find mounting techniques for the organism. So far, we have  been always able to mount organisms for light sheet microscope into  images for a long time so that it survives and gives good data quality.    Sean Sanders:  Uh‐hum. Great. So I’ll stay with you, Dr. Hufnagel. So you did show  one slide where you did both confocal and the SPIM and this viewer  asks  about  whether  the  resolution  is  the  same  as  the  confocal  and 

(18)

can  we  monitor  for  example  signaling  molecular,  molecule  3D  distribution within one cell? 

 

Dr. Lars Hufnagel:  So I mean that depends very much on the setup of your light sheet  microscope.  So  one  can  obviously  go  for  high  NA  detection  objectives,  which  are  then  from  the  optical  resolution  very  comparable  to  a  confocal  system.  Also  from  the  light  detection  efficiency,  they  are  very  comparable  so  one  can  also  see  very  few  molecules.  On  the  last  parts  which  I  showed,  the  light  PET  microscope,  there  actually  we  illuminate  with  an  extremely  thin  sheet of light, and this one allows us to actually get better objective  sectioning  as  on  the  confocal  microscope.  So  there  are  also  people  working on super resolution techniques to marry this with light sheet  microscopy  or  what  it  can  also  show  initially  and  Pavel  I  think  also  talked  about  the  rotation  is  one  can  also  use  the  inherent  rotation  capability  of  the  light  microscopy  setup  to  then  use  afterwards  computer power to increase the resolution.    Sean Sanders:  Uh‐hum. So the volume of the light sheet can be adjusted?    Dr. Lars Hufnagel:  Yes. So the volume of the light sheet is basically given by the NA of  the illumination objectives.    Sean Sanders:  Okay.    Dr. Lars Hufnagel:  And this can be relatively freely adjusted, yes.    Sean Sanders:  Great. Any other comments?    Dr. Ernst Stelzer:  Well actually, you have to take into account that you have a certain  field of view.    Sean Sanders:  Uh‐hum.   

Dr. Ernst Stelzer:  Yeah.  So  if  you  want  to  cover  your  field  of  view  in  a  reasonable  manner  then  of  course you  sacrifice  your  resolution  a  little  bit.  But  the real nice feature is that you can adjust it. In principle by over or  under illuminating the illumination lens appropriately, you can really  find the right conditions. Yeah. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum.  So  that  follows  on  nicely  to  another  question  about  the  constraints  of  sample  size  that  you  can  illuminate.  In  other  words,  what’s  the  largest  sample  that  can  be  used  given  the  working  distances? 

(19)

  Dr. Ernst Stelzer:  Well the constraints are really essentially given by the lens that you  use and by the camera. So the field of view or the pixel size or the  number of pixels on the pixel picture essentially determine the chip  size.    Sean Sanders:  Uh‐hum.   

Dr. Ernst Stelzer:  And  that  together  with  the  detection  lens  actually  determines  the  field of view that you can look at. But the other thing that we have  done, which I didn’t show today, is what you can also do is you can  look  at  certain  subsections  of  the  area  and  then  you  can  stitch  it  together.  So  for  example  what  you  saw  all  the  time  today  was  essentially  recording  pixels  along  different  directions  and  fusing  those images. But in principle, you can also stitch them together very  much like most cameras can do it and in this way you can artificially  increase  the  field  of  view  and  that  is  done  probably  by  a  lot  of  people around a regular basis nowadays.    Sean Sanders:  Uh‐hum. Uh‐hum. So Dr. Tomancak, do you have any comments on  that and maybe if you can also talk about some of the samples that  you’ve illuminated and had challenges with.    Dr. Pavel Tomancak:  So I mean I have shown during the presentation that we went up to  say the size of a mouse embryo.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Pavel Tomancak:  I mean I think the issue a little bit is also what exactly one is imaging.  If  one  wants  to  image  some  specimen  live,  they’re  not  always  like  Drosophila  stay  in  a  confined  space,  they  actually  grow  and  one  might need to actually adjust the imaging strategy for the different  stages  of  their  development.  So  one  can  probably  start  by  imaging  the  embryos  with  a  different,  I  would  say,  settings  than  when  one  has to then go to a later stage animal and, you know, do tricks like  Ernst  was  describing  to  stitch  together  multiple  fields  of  view.  So,  yeah,  I  think  this  will  always  depend  on  the  type  of  sample  one  is  imaging, right?    [0:40:45]  Sean Sanders:  Uh‐hum. Dr. Hufnagel, anything to add?    Dr. Lars Hufnagel:  Yeah. So most of the applications we do is for live imaging and at the  moment I think the biggest sample we looked at are in the order of a 

(20)

millimeter. Then if one goes beyond a millimeter then one also gets  a problem with the penetration of the light sheet inside the sample.  But  a  millimeter  to  a  little  bit  more  of  a  millimeter  is  usually  easily  doable.    Sean Sanders:  Excellent. So another question for, how fast can SPIM image? What’s  the maximum that you’ve reached?    Dr. Lars Hufnagel:  Yes. So at the moment ‐‐ I mean first of all maybe I have to add so I  think during the last two or three years these exciting new cameras  came  out,  these  SCMOS  cameras  which  really  I  think  boosted  the  field  of  light  sheet  microscopy  because  they  can  show  their  full  potential  with  their  high  frame  rate.  So  we’re  using  regularly  cameras, which have four to five megapixels and can run in full field  up to 100 frames a second. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. 

 

Dr. Lars Hufnagel:  So  if  we  down  sample  it,  it  will  get  proportionately  faster  so  these  cameras can also run much, much faster. So on our microscope, we  can run easily at 100 slices per second, maybe 200 slices per second  that’s  something  we  can  easily  do.  With  more  tricks,  one  can  probably  even  get  –  I  don’t  think  it’s  the  top  yet.  I  think  one  can  probably get easily factor 2 to 5 faster if one really wants to push it.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Ernst Stelzer:  And it’s probably also important for the FCS.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Ernst Stelzer:  Because they are – I mean when we worked on that, I think we never  got beyond 600 frames per second because the cameras were simply  not faster. But what you really want to get at is I assume something  in  the  range  of  maybe  2000,  3000,  4000,  5000  frames  per  second  and I don’t think that’s unrealistic.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Ernst Stelzer:  So and that’s important because otherwise you really don’t get the  temporo resolution that you require.    Sean Sanders:  Uh‐hum. Right. Dr. Tomancak?   

(21)

Dr. Pavel Tomancak:  I  think  it’s  really  actually  impressive  what  kind  of  speeds  one  can  achieve  with  these  type  of  scopes.  Even  with  the  scopes  which  involve  rotation,  one  can  actually  image  the  entire  embryo  in  less  than  let’s  say  15  seconds  and  that’s  actually  more  than  enough  to  sample  the  temporo  dimension  in  a  way  that  none  of  the  relevant  entities, which in this case will be cells, would actually move. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. 

 

Dr. Pavel Tomancak:  And so then that allows, you know, really efficient tracking of these  entities  across  time.  But  what  we  will  probably  discuss  in  the  next  part of this is that it generates tremendous amounts of data.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Pavel Tomancak:  And that’s actually a big issue here.   

Sean Sanders:  Uh‐hum.  So  that’s  actually  perfect because  the  next  question  I  was  going to ask was about data. It was actually directed at Dr. Hufnagel  saying  if  the  Drosophila  development  video  was  8  terabytes,  will  there be a need for an external service for data processing? I know  we spoke before the webinar about your processing systems. 

 

Dr. Lars Hufnagel:  Yeah.  So  obviously,  if  you  ask  for  speed  then  also  you  get  a  lot  of  data storage. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. 

 

Dr. Lars Hufnagel:  So  this  basically  goes  hand  in  hand.  I  mean  just  to  put  sort  of  the  data  amount  we  generate  with  MuVi‐SPIM  at  the  moment  and  perspective it so eight terabyte is a normal overnight movie for us.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Lars Hufnagel:  And if Pavel wants to do his screen with his speed on a microscope, it  will be more data than Google Earth at the moment has. So this just  shows you where the challenges in the future will be. It will be much  more  on  the  computational  part,  what  to  do  with  the  data  afterwards. 

 

Sean Sanders:  Right. 

 

Dr. Lars Hufnagel:  And  I  think  at  the  moment,  we  are  dealing  with  8  terabytes,  10  terabytes  of  data  is  still  doable  with  the current  technology,  it’s  no 

(22)

problem.  So  one  can  basically  send  it  to  parallel  computers.  Individual type runs can be in parallel analyzed and this can speed it  up.  But,  yeah,  I  think  it  calls  for  efficient  algorithms  and  obviously  storage is a main issue, storing data. 

 

Sean Sanders:  Dr. Tomancak, anything to add?   

Dr. Pavel Tomancak:  Well, I mean I think it’s also a question, you know, how much data  actually  do  we  need  to  answer  our  questions.  That’s  in  this  range,  you  know,  where  we  are  really  as  we  were  discussing  before  the  broadcast,  we  are  actually  entering  the  realm  of  particle  physics,  right, and as biologists we are not necessarily equipped to be dealing  with these volumes of image data. So I think one has to make some  kind of reasonable decisions in terms of the resolution and especially  the time resolution and the resources one has to actually analyze it  because  recording  these  datasets  is  only  one  step  but  extracting  some  information  out  of  it  is  the  next  one  and  the  challenge  really  becomes very much informatics.    [0:45:26]  Sean Sanders:  Right.    Dr. Ernst Stelzer:  But one should not forget, I mean the amount of data that you start  off  with  is  maybe  huge.  I  mean  when  Philip  Keller  actually  showed  quite  nicely  a  few  years  ago,  I  mean  at  that  time  we  created  much  less data, I have to say about 3 to 4 megabytes, terabytes not much  less but less.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Ernst Stelzer:  But the real trick is actually to do the segmentation, yeah, and once  you’ve  really  found  all  the  nuclei  then  you’re  talking  about  data,  which  is  still  handleable.  So  when  you’re  talking  about  gigabytes,  maybe a list of a few thousand nuclei or some other feature in the  cell which is described by a certain terminology and that’s really the  data you’re interested in and that’s probably also the data you really  would like to store.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Ernst Stelzer:  Yeah. That –    Sean Sanders:  So, Dr. Tomancak, a question for you. Is it possible to do images in  chamber with live cells and control the temperature and CO2? 

(23)

 

Dr. Pavel Tomancak:  I  don’t  have  any  experience  with  that.  I  think  some  of  the  people  here –    Dr. Ernst Stelzer:  We do it all the time.    Sean Sanders:  All the time?   

Dr. Ernst Stelzer:  Yeah.  We  really  control  the  temperature  and  we  also  control  the  CO2 level and also the oxygen level. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. 

 

Dr. Ernst Stelzer:  We  really  mix  the  gasses  which  is  really,  really,  really  important  particularly in the 3D cytology stuff that I mentioned. Because if you  think  about  it  one  of  the  weird  things  is  that  a  lot  of  people  work  with cells and they’re cultivated on coverslips and they actually are  exposed  to  20%  oxygen,  but  actually  if  you  look  at  tissue  in  our  bodies, it’s less than 8% on average. So you really have to push this.  It’s a very important issue, yeah, very good question.    Sean Sanders:  Right. So a couple of questions about dyes. Are there any particular  dyes that you would recommend for SPIM? Dr. Hufnagel, you want  to –    Dr. Lars Hufnagel:  Yeah, I mean –    Sean Sanders:  ‐‐ try that?    Dr. Lars Hufnagel:  ‐‐ obviously SPIM is an excellent tool for getting deep into a tissue.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Lars Hufnagel:  And in order to penetrate maybe a little bit deeper into the tissue,  one  is  obviously  one  needs  a  bright  dye  so  that  one  can  image  quickly so one needs a good signal. The dye should also not overlap  with the autofluorescence spectrum one has in most of the animals  so  that’s  important.  Then  certain  fluorophores  can  have  better  penetration  depth  for  the  light  so  this  might  be  one  needs  to  consider.  So  it  will  depend  on  the  specimen  one  looks  at,  but  in  general I would say obviously bright fluorophores help a lot and then  if one stays away from autofluorescent and the tendency is go to the  red is probably a good way. 

(24)

Sean Sanders:  Uh‐hum. Dr. Tomancak?   

Dr. Pavel Tomancak:  Well  I  would  say  that  important  feature  of  the  fluorophores  is  that  the  fluorescence  appears  fast.  I  mean  for  our  let’s  say  application,  we  want  to  monitor  the  activity  of  the  gene  and  if  there  is  a  delay  between  when  the  protein  is  made  and  before  we  can  actually  detect it, you know, then that’s a problem. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. 

 

Dr. Pavel Tomancak:  So  we  are  using  a  variance  of  the  GFP,  which  fold  very,  very  fast.  I  would also say that SPIM is in fact, you know, extremely useful also  for imaging fixed specimen because you can really achieve amazing  resolution  by  combining  many  different  views  and  then  of  course,  you know, the range of the fluorophores is massive, right? 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. 

 

Dr. Pavel Tomancak:  And it’s really one really needs then a setup, which is able to excite  them  or  as  many  that  is  actually  possible  so  that  one  can  do  a  multicolored imaging. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. Dr. Stelzer?   

Dr. Ernst Stelzer:  I  think  there’s  no  real  limit  to  the  –  I  mean  basically  it’s  not  like  in  some of the high resolution methods where you’re really restricted  to  some  dyes,  but  whatever  can  be  excited.  Most  of  the  stuff  that  you  say  or  basically  everything  that  you  saw  today  was  actually  single  photon  excitation  and  whatever  can  be  excited  can  be  observed. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum.  I’ll  give  you  another  question,  is  there  any  reason  to  use  single versus multi‐photon lasers to generate light sheets? 

 

Dr. Ernst Stelzer:  Yeah,  good  question.  I’m  not  absolutely  sure  so  you  would  assume  that  in  the  two‐photon  system  you  can  probably  penetrate  a  specimen a little bit better, which is probably true. But I think that’s  where  the  niche  is.  Maybe  the  deeper  you  want  to  penetrate  a  specimen,  the  more  likely  it  is  that  you  will  consider  two‐photon  microscopy. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. 

 

(25)

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. Any other comments, Dr. Hufnagel?    

Dr. Lars Hufnagel:  Yes.  So  there’s  some  nice  work  being  done  where  people  use  two‐ photon  lasers  by  Scott  Frazer’s  lab  or  the  Betzig  lab  with  bessel  beams  and  I  think  these  are  all  very  promising  applications.  In  particular, as Ernst said, if one wants to get a well‐defined light sheet  in a specimen then obviously going for a longer wavelength is sort of  a  standard  way  to  do  it.  Maybe  one  has  to  sacrifice  a  little  bit  on  speed because the illumination efficiency with two‐photon is not as  high as ‐‐    [0:50:13]  Dr. Ernst Stelzer:  Yes.     Dr. Lars Hufnagel:  ‐‐ a single photon.    Dr. Ernst Stelzer:  That’s a major problem…    

Dr. Lars Hufnagel:  But  otherwise,  I  think  it’s  very  good  for  probably  thicker  specimen  where one doesn’t need the full maximum speed. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum.  Excellent.  This  next  question  is  what  is  the  difference  in  depth  resolution  in  optical  slicing  versus  light  sheet  methods?  I’m  not sure if that makes sense to you. Dr. Stelzer, you want to…?   

Dr. Ernst Stelzer:  So  I  mean  there’s  a  certain  property  that  we’re  really  interested  in  and that’s optical sectioning. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. 

 

Dr. Ernst Stelzer:  So  that’s  a  well‐defined  term  in  microscopy  and  optical  physics.  Confocal  microscopy  has  this  capability,  conventional  microscopy  does  not  even  if  you  do  deconvolution  you  don’t  have  that.  Two‐ photon  microscopy  has  this  and  also  light  sheet  microscopy.  That’s  what I briefly mentioned when I said you take the product of the two  point spread functions. 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum.  

 

Dr. Ernst Stelzer:  And  in  general,  I  would  say  the  thickness  of  the  light  sheet  in  confocal  microscopy  with  high  NA  lenses  is  probably  a  little  bit  smaller. 

(26)

Sean Sanders:  Okay.   

Dr. Ernst Stelzer:  But for the high NA systems, it’s different. For high NA systems, you  will  always  have  a  much  thinner  light  sheet  ‐‐  sorry  with  the  light  sheet, with the SPIM than with the confocal microscope. 

 

Sean Sanders:  Dr. Tomancak?   

Dr. Pavel Tomancak:  One  should  probably  take  into  account  the  kind  of  topology  of  this  microscope  that  the  light  sheet  comes  from  outside  and  so  if  your  specimen is actually covered with something which is impenetrable  to light then it will never get inside, right? 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum. 

 

Dr. Pavel Tomancak:  And  we  are  often  here  showing  examples  where  we  imaged  the  most  challenging  of  samples  that  every  single  is  labeled  and  every  single  cell  actually  deserves  the  illumination  light.  You  know,  if  the  specimen is labeled very sparsely, you can actually get much, much  deeper  in  my  experiences.  So,  yeah,  it  depends  a  little  bit  also  on  what you are imaging, right? 

 

Sean Sanders:  Uh‐hum.  Another  resolution  question  that  came  in  asking  whether  it’s possible to look at subcellular organelles using SPIM? Have any of  you ever tried that?    Dr. Ernst Stelzer:  Absolutely.    Sean Sanders:  Yeah.    Dr. Ernst Stelzer:  I mean it has been tried many times, it works very well. I’ve showed  pictures of the yeast ‐‐    Sean Sanders:  Okay. Yeah.    Dr. Ernst Stelzer:  ‐‐ works perfectly, absolutely. I think there’s no doubt and you also  showed that.    Dr. Lars Hufnagel:  Well, yeah. We actually measured protein concentration, which is a  very, very small molecule, yeah.   

Sean Sanders:  Right.  Yeah  and  there  was  a  question  earlier  about  looking  at  protein‐protein interaction and I think I believe did you show a slide,  yeah, on the protein…? 

(27)

  Dr. Lars Hufnagel:  Well protein‐protein interaction could also be measured, yes.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Lars Hufnagel:  This will require to have both proteins labeled and then one would  need to see how they basically correlate, the signal would correlate.    Dr. Ernst Stelzer:  I think you could also answer this in a more general term.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Ernst Stelzer:  For example, don’t forget, I mean if you look at the light sheet based  microscope, basically the detection system is a regular fluorescence  microscope.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Ernst Stelzer:  So whatever you can do with the fluorescence microscope, you can  also do with the light sheet. The only thing that you really change is  the way you illuminate the specimen and therefore you can do FCS,  you can do FRET, you can FLIM, yeah, and if these technologies can  be  used  in  a  regular  microscope  to  measure  protein‐protein  interactions  then  of  course  you  can  also  do  it  with  a  light  sheet  microscope,  yeah.  I  think  that  is  the  most  relaxed  way  to  see  it,  regard it as a regular fluorescence microscope.    Sean Sanders:  Right.    Dr. Ernst Stelzer:  Yeah.    Sean Sanders:  Right. Dr. Hufnagel, anything to add?    Dr. Lars Hufnagel:  Yeah, perfectly put, yeah.   

Sean Sanders:  Excellent.  So  next  question  is  can  these  techniques  be  used  in  organotypic  cultures  and  over  days?  So  I’m  not  sure  if  any  of  you  have any experience with this, Dr. Stelzer?    Dr. Ernst Stelzer:  That’s what we do all the time.    Sean Sanders:  Okay.    Dr. Ernst Stelzer:  I can only say yes, yes, yes. 

(28)

  Sean Sanders:  [Laughs] So is there anything this can’t do?    Dr. Ernst Stelzer:  Well of course.    Sean Sanders:  What will be the limitations? Where would you put those boundaries  right now?    Dr. Ernst Stelzer:  The boundaries for a light sheet microscope?    Sean Sanders:  Yeah.    Dr. Ernst Stelzer:  Well I think it’s still targeted more for relatively large objects where  you really want to work on the interaction let’s say of multiple cells  or so on. So that’s where I would really go for it.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Ernst Stelzer:  Yeah. And I mean if you have a completely flat specimen, I mean for  whatever  reason  let’s  say  you  want  to  look  at,  I  don’t  know,  single  molecules on microtubules or so then you have them on coverslips  then I think it has no reason to use a light sheet based microscope.  You  should  just  stick  to  the  system  that  you  currently  have.  There  are a lot of reasonable biological questions that you want to address  with TIRF or whatever.    Sean Sanders:  Uh‐hum. So maybe this is a good follow‐on question that asks about  the fields of application that you think would most benefit from this  and you each obviously have your own fields. But maybe we’ll start  with you, Dr. Hufnagel, if you can just talk a little bit about how you  see this being applied and where you’d like to apply it?    [0:55:03]   Dr. Lars Hufnagel:  Well what I’ve witnessed sort of in my daily research is that I see that  of the classical cell biologist and the developmental biologist sort of  come  together.  The  cell  biologist  will  basically  want  to  develop  cell  biology and developing backgrounds in the organism in the embryo  and  the  developmental  biology  want  to  look  closer  at  ultra‐cellular  processes.    Sean Sanders:  Uh‐hum.    Dr. Lars Hufnagel:  I think the fundamental concept of SPIM the high speed it gives and  then the low phototoxicity just make it a very good tool to basically 

References

Related documents

This is in contradistinction to the effect of insulin (Figure 3) or glucose, either orally (1, 2) or in- travenously (Figure 4), all of which cause a low- ering of citric acid

Especially with regard to the Tokyo Olympic and Paralympic Games, based on a clear understanding of cybersecurity risks and challenges related to the Tokyo 2020 Olympic

In order to gain insights into the impact of interest rate and exchange rate policies on the development of real economic variables, we regressed the differentials of growth rates

Little League District 5 www.eteamz.com/azdistrict5 Tucson Slowpitch (Adults) www.tucsonslowpitch.com. IN-LINE

Our last functional unit selection algorithm attempts to balance performance and area constraints. First, we eliminate implementations from the hardware/throughput matrix that do

We’ll look at a simple program for simulating random walks, then think about design- ing a class that encapsulates a walk, but be more general than the walk we’ve described. The size

For bankruptcy practitioners, the proposed Rule 502 has numerous inherently attractive features. At the outset, Rule 502 may be drafted so broadly as to protect against waiver

MRI: T2 (best sequence) shows a disc herniation which narrows the spinal canal and nerve root foramen (as