新型3D打印机器人显微镜助力水生生物胚胎研究

2025年1月4日，南极熊获悉，普利茅斯大学胚胎表型组研究团队历经十年研发，推出了一款名为LabEmbryoCam的自主机器人显微镜。该开源实验室仪器利用3D打印组件，可自动监测和评估水生生物胚胎对环境变化的反应，为水生生物研究提供了前所未有的工具。



表型组学研究的新利器

根据该团队发表的研究报告，“在个体范围内获取高维数据”被称为表型组学，已应用于人类健康相关的生物学研究，如作物科学和医学。水生生物胚胎由于其体积小、生态相关性强、分类多样性高以及功能、空间和时间变化程度高等特点，成为该研究领域的天然模型。研究环境条件如何影响生命早期阶段比以往任何时候都更加重要，这也是该团队将LabEmbryoCam创建为开源项目的原因。

LabEmbryoCam能够通过追踪胚胎发育来自动监测水生生物胚胎发育的早期阶段。科学家可以使用这套多功能系统来测量发育中动物的关键特征，如心跳、发育速度和生长速度，并可同时对大量胚胎的生物过程进行可视化和测量。



开源设计，灵活易用

LabEmbryoCam的硬件和软件设计均已开源，研究人员可以根据自身需求调整该表型平台。该研究的资深作者、普利茅斯大学高级研究员、胚胎表型组创始人Oliver Tills博士解释说：“我们开发LabEmbryoCam是为了提供一个便捷的窗口，了解动物如何构建自身以及环境对其产生的影响。它充分利用了3D打印和人工智能等赋能技术。LabEmbryoCam使科研人员能够解决以前无法解决的复杂研究问题，开源也能使LabEmbryoCam被更多人使用。”


△ 注解脚部组件以确保运行期间的振动隔离，集成了用于隔离低频的3D打印片状弹簧，以及用于隔离高频的Sorbothane脚垫。

3D打印技术降低成本，提升创新空间

LabEmbryoCam是一个模块化系统，由消费电子产品、步进电机驱动的运动装置、单板计算机和FDM 3D打印组件构成，并构建在铝挤压框架内。这是一个多功能平台，研究人员表示，它最初的设计和优化目标是“对在多孔板格式中培养的发育中水生生物胚胎进行延时成像”。

团队在研究报告中写道：“在可行的情况下，我们使用3D打印部件以最大限度地降低成本，并减少对供应链的依赖。”3D打印的一大优势是能够定制设备，这对实验室和洁净室都很有帮助。用于制造LabEmbryoCam的一些FDM部件包括：安装在每个角落的3D打印板簧，以减少成像过程中环境振动的影响；以及3D打印加湿室，以应对多孔板格式延时成像过程中的蒸发挑战。LabEmbryoCam总共使用了100多个3D打印部件，其STL文件可在Zenodo存储库中获取。


△ CAD渲染了不同版本的LabEmbryoCam（LEC）的组装情况。A) V1 LEC使用通用铝型材和自支撑支架构建，B) V2 LEC采用Rexroth铝型材、盲接头，并包括一个盖子。尺寸：宽450毫米，深390毫米，高475毫米。

应用前景广阔

Tills博士表示：“LabEmbryoCam使用户能够在生命最活跃、通常也是最敏感的时期应用表型组学。这些仪器已被证明对理解胚胎功能至关重要，而且这些反应与生命后期相比有显著差异。这对于理解全球和海洋变暖对单个物种的影响，以及识别对未来地球可能出现的环境条件具有适应力的物种、种群和个体至关重要。”

LabEmbryoCam背后的团队建立了一个专门的表型组学设施，以支持胚胎表型组的研究。除了将该系统开源外，研究人员还通过Phenomyx CIC（一家社区利益公司）销售该系统，该公司致力于支持研究人员将表型组学方法应用于发育中动物的研究。该仪器已销往英国和美国的客户，其组件在Phenomyx CIC位于普利茅斯科技园的基地进行3D打印和组装。此外，普利茅斯大学的研究人员还将LabEmbryoCam带到了印度洋进行考察，以支持对圣诞岛红蟹生命早期阶段的研究。