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Lightsheet Microscopy

English title Lightsheet Microscopy
Applicant Iber Dagmar
Number 164087
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Computational Systems Biology Department of Biosystems, D-BSSE ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Cellular Biology, Cytology
Start/End 01.06.2016 - 31.05.2017
Approved amount 461'364.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Cellular Biology, Cytology
Neurophysiology and Brain Research
Embryology, Developmental Biology

Keywords (4)

microscopy; organoids; epigenetics; organogenesis

Lay Summary (German)

Lead
Lichtscheibenmikroskopie wurde entwickelt, um einige wichtige Einschränkungen der konfokalen und Weitfeld-Fluoreszenzmikroskopie zu überwinden: Phototoxizität, rasches Bleichen der Fluoreszenzfarbstoffe, und eine geringe zeitliche Auflösung und Betrachtungstiefe. Mit Hilfe der neuen Methode ist es nun möglich, die Entwicklung ganzer Embryonen und Organkulturen über längere Zeit in 3D zu verfolgen. Außerdem wird eine deutlich höhere Auflösung als bei der optischen Projektionstomografie (OPT) ermöglicht, so dass eine zelluläre Auflösung in der 3D-Bildgebung von großen, fixierten und geklärten Geweben erreicht werden kann. Diese neuen Möglichkeiten sind für Gruppen der experimentellen Biologie, der Ingenieurswissenschaften und der Theorie am Department BSSE gleichermaßen von Relevanz. Diese Anschaffung stärkt somit alle drei Säulen des Departments.
Lay summary

Insbesondere vier Gruppen am ETH Department Biosysteme planen, das Lichtscheibenmikroskop in ihrer Forschung intensiv zu nutzen. Die Iber Gruppe nutzt bildbasierte mathematische Modellierung, um grundlegende Fragen der Entwicklungsbiologie zu beantworten. Die Hierlemann Gruppe wird Lichtscheibenmikroskopie verwenden, um kugelförmige 3D-Mikrogewebe zu untersuchen. Die Kombination von solchen 3D Mikrogeweben mit mikrofluidischen Techniken ermöglicht die Entwicklung von in-vitro Multi-Organ-Modellen mit dem Ziel, die geringe Effizienz in der Frühphase der Arzneimittelentwicklung zu steigern. Dazu ist es wichtig, auch das Zellverhalten im Inneren des Mikrogewebe-Sphäroide nach Wirkstoffgabe zu untersuchen. Die Pantazis Gruppe entwickelt bildgebende Verfahren (Confined Primed Conversion), Bildanalysen (FDAP) und neuartige optische Proben (SHG Nanosonden), um durch quantitative Bildgebung die molekularen Mechanismen bei der Entwicklung, beim Fortschreiten von Krankheiten und bei der Geweberegeneration in den Modellorganismen Maus und Zebrafisch zu untersuchen. Die Verwendung der Lichtscheibenmikroskopie wird die Forschung der Gruppe in zwei Bereichen besonders nutzen; i) bei der Analyse der Symmetriebrechung in frühen Säugetierembryonen und ii) bei der Analyse der zugrunde liegenden strukturellen und funktionellen Organisationsprinzipien neuronaler Netzwerke im Zebrafischgehirn. Die Paro-Gruppe verfolgt die Rolle epigenetisch wirkendender Chromatin-Proteine während der Entwicklung und bei Regenerationsprozessen in der Fruchtfliege Drosophila. Die Gruppe verwendet ein induzierbares Protein-Degradationssystem, welches erlaubt, den Pool eines spezifischen Chromatinfaktors rasch abzubauen, um dann die funktionellen Konsequenzen während des Zellzyklus in der Embryogenese und in anderen Entwicklungsstadien zu beurteilen. 

Direct link to Lay Summary Last update: 15.11.2015

Responsible applicant and co-applicants

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
MIAP Lightsheet Workshop Talk given at a conference Image-Based Modeling of Organogenesis (Dr Odysse Michos from Iber group) 10.05.2017 Center for Biological Systems Analysis (ZBSA), Freiburg, Germany Iber Dagmar;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
142440 The Body on a Chip - Human 3-D tissue analogues in microfluidic systems 01.04.2013 Ambizione
177079 Confocal Microscope with spectral detection, FLIM and laser ablation 01.12.2017 R'EQUIP
144048 Imaging of Pluripotency in Systems Biology 01.07.2013 Project funding (Div. I-III)
143922 Mechanisms of transcriptional memory in response to developmental and environmental stimuli 01.04.2013 Project funding (Div. I-III)
189807 Multiphoton Confocal Microscope for High-Speed and High-Resolution Imaging 01.09.2020 R'EQUIP

Abstract

The Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE) at ETH Zurich was founded to bring together, in one location, experimental biologists with theoreticians and engineers and to foster interactions at the interface of the biomedical and the quantitative/engineering sciences. The department has established several technology platforms, including a Cleanroom Facility (CRF), a Genomics Facility (GFB), a Single Cell Facility (SCF), and a Lab Automation Facility (LAF) to provide scientists with cutting-edge technology for research in Systems and Synthetic Biology. All facilities are supported by technical staff that looks after the equipment and supports users. The SCF and LAF are equipped with state-of-the-art lab automation equipment, cell sorters, and microscopes. The IT group at BSSE (ITSC) and the Scientific IT Services (SIS) of ETH offer IT and software support. Recent technological advances in microscopy now enable 3D live imaging of embryos and organ cultures at an unprecedented resolution. Such technology is so far missing at the department. Hence, groups from all research directions in the department will greatly profit from a light-sheet fluorescence microscope (LSFM/SPIM) as reflected in this R’Equip proposal, which combines projects from two experimental, one engineering, and one computational group. The Iber group uses image-based modelling to address key questions in developmental biology. Past models were built based on developmental time series of organ shapes that were acquired with optical projection tomography (OPT). However, OPT provides 3D images only for dead samples and does not reach cellular resolution. Moreover, the technology is no longer commercially available and available instruments are no longer serviced. 3D live imaging as enabled by light-sheet microscopy with its reduced bleaching and reduced phototoxicity fills this gap and opens up new opportunities to investigate organogenesis. The Hierlemann group will use the LSFM to investigate 3D microtissue spheroids, which, in combination with microfluidic technology, enable the development of in vitro multi-organ models to overcome the low efficiency in early-stage drug development. For these efforts it is essential to investigate cellular behavior inside microtissue spheroids upon drug exposure and during multi-tissue testing. Currently available techniques, like confocal microscopy, feature insufficient penetration depth. The Pantazis lab uses cutting-edge imaging technologies (Confined Primed Conversion), assays (FDAP), and reagents (SHG nanoprobes) for sophisticated quantitative imaging analyses to mechanistically dissect development, disease progression, and tissue regeneration in vivo in the model organisms mice and zebrafish. The use of light-sheet microscopy will benefit his research in i) analyzing the origin of symmetry breaking in early mammalian embryos and i) pursuing an in vivo approach to map the structural and functional connectome in the zebrafish brain. The Paro group is tracking the role of epigenetically acting chromatin proteins during development and tissue regeneration in the fruit fly Drosophila. They are using an inducible protein degradation system to rapidly deplete the pool of specific chromatin proteins in order to assess the functional consequences during the cell cycles in embryogenesis and other developmental stages. Light-sheet microscopy is ideal to follow the expected rapid dynamic changes in the observable tissues with the necessary resolution and depth of signal. In conclusion, light-sheet microscopy is a much-needed technology that will greatly advance the research at the BSSE.
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