新型3D打印機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，普利茅斯大學胚胎表型組研究團隊歷經(jīng)十年研發(fā)，推出了一款名為LabEmbryoCam的自主機器人顯微鏡。該開源實驗室儀器利用3D打印組件，可自動監(jiān)測和評估水生生物胚胎對環(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。



表型組學研究的新利器

根據(jù)該團隊發(fā)表的研究報告，“在個體范圍內(nèi)獲取高維數(shù)據(jù)”被稱為表型組學，已應(yīng)用于人類健康相關(guān)的生物學研究，如作物科學和醫(yī)學。水生生物胚胎由于其體積小、生態(tài)相關(guān)性強、分類多樣性高以及功能、空間和時間變化程度高等特點，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候都更加重要，這也是該團隊將LabEmbryoCam創(chuàng)建為開源項目的原因。

LabEmbryoCam能夠通過追蹤胚胎發(fā)育來自動監(jiān)測水生生物胚胎發(fā)育的早期階段。科學家可以使用這套多功能系統(tǒng)來測量發(fā)育中動物的關(guān)鍵特征，如心跳、發(fā)育速度和生長速度，并可同時對大量胚胎的生物過程進行可視化和測量。



開源設(shè)計，靈活易用

LabEmbryoCam的硬件和軟件設(shè)計均已開源，研究人員可以根據(jù)自身需求調(diào)整該表型平臺。該研究的資深作者、普利茅斯大學高級研究員、胚胎表型組創(chuàng)始人Oliver Tills博士解釋說：“我們開發(fā)LabEmbryoCam是為了提供一個便捷的窗口，了解動物如何構(gòu)建自身以及環(huán)境對其產(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法解決的復雜研究問題，開源也能使LabEmbryoCam被更多人使用。”


△ 注解腳部組件以確保運行期間的振動隔離，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是一個模塊化系統(tǒng)，由消費電子產(chǎn)品、步進電機驅(qū)動的運動裝置、單板計算機和FDM 3D打印組件構(gòu)成，并構(gòu)建在鋁擠壓框架內(nèi)。這是一個多功能平臺，研究人員表示，它最初的設(shè)計和優(yōu)化目標是“對在多孔板格式中培養(yǎng)的發(fā)育中水生生物胚胎進行延時成像”。

團隊在研究報告中寫道：“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，并減少對供應(yīng)鏈的依賴。”3D打印的一大優(yōu)勢是能夠定制設(shè)備，這對實驗室和潔凈室都很有幫助。用于制造LabEmbryoCam的一些FDM部件包括：安裝在每個角落的3D打印板簧，以減少成像過程中環(huán)境振動的影響；以及3D打印加濕室，以應(yīng)對多孔板格式延時成像過程中的蒸發(fā)挑戰(zhàn)。LabEmbryoCam總共使用了100多個3D打印部件，其STL文件可在Zenodo存儲庫中獲取。


△ 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期應(yīng)用表型組學。這些儀器已被證明對理解胚胎功能至關(guān)重要，而且這些反應(yīng)與生命后期相比有顯著差異。這對于理解全球和海洋變暖對單個物種的影響，以及識別對未來地球可能出現(xiàn)的環(huán)境條件具有適應(yīng)力的物種、種群和個體至關(guān)重要�！�

LabEmbryoCam背后的團隊建立了一個專門的表型組學設(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方法應(yīng)用于發(fā)育中動物的研究。該儀器已銷往英國和美國的客戶，其組件在Phenomyx CIC位于普利茅斯科技園的基地進行3D打印和組裝。此外，普利茅斯大學的研究人員還將LabEmbryoCam帶到了印度洋進行考察，以支持對圣誕島紅蟹生命早期階段的研究。