Temperatuur is een van de meest fundamentele fysieke factoren die biologische processen beïnvloeden, waarbij kleine variaties een diepgaande invloed kunnen hebben op de cellulaire ontwikkeling, fysiologische functies en de levensvatbaarheid van het organisme. Toch hebben onderzoekers lange tijd te maken gehad met technische beperkingen in microscopische beeldvormingsplatforms met betrekking tot temperatuurregulatie - waaronder een ongelijkmatige temperatuurverdeling van het monster, langzame verwarmings-/koelsnelheden, frequente fluctuaties en het onvermogen om nauwkeurige controle van de temperatuur onder de omgevingstemperatuur te bereiken. Deze uitdagingen hebben aanzienlijke barrières opgeworpen bij het bevorderen van biowetenschappelijk onderzoek.

Er is een nieuw microscopisch temperatuurcontrolesysteem voor beeldvorming ontwikkeld om deze aanhoudende uitdagingen aan te pakken. Het systeem zorgt voor een nauwkeurige regeling over een breed fysiologisch bereik (20°C tot 30°C), terwijl de temperatuurgradiënten binnen de monsters aanzienlijk worden verminderd. Met name voor grotere modelorganismen zoals zebravisembryo's biedt het systeem een ​​ongekende temperatuurprecisie, waardoor nieuwe onderzoeksmogelijkheden in de ontwikkelingsbiologie en fysiologische studies mogelijk worden gemaakt. Initiële toepassingen hebben met succes aangetoond dat het systeem in staat is temperatuurafhankelijke hartritmeveranderingen in zebravisembryo's te meten, waardoor diepgaande temperatuureffecten op de fysiologische activiteit aan het licht komen.

Het temperatuurregelsysteem integreert geavanceerde Peltier-thermo-elektrische technologie met precisie-engineering, bestaande uit twee hoofdcomponenten: een zeer nauwkeurige preparaatplatformmodule en een geïntegreerde objectieflenskoeling/verwarmingsmodule. Dubbele thermokoppels van het K-type zorgen voor realtime temperatuurbewaking van beide modules, met dynamische regeling via Peltier-elementen. Het systeem bevat watergekoelde aluminium koellichamen voor thermisch beheer en beschikt over een extra NTC-thermokoppel voor verbeterde monitoring van het monstergebied. Een tweekanaals PID-temperatuurregelaar (TEC-1122-SV) zorgt voor uitzonderlijke stabiliteit en reactievermogen, met aangepaste adapters die zijn ontworpen voor naadloze integratie met XY-tafels van Zeiss Axiovert-microscopen.

Rigoureuze tests hebben een opmerkelijke nauwkeurigheid van de temperatuurregeling aangetoond: ±0,1°C precisie en 0,5°C nauwkeurigheid bij 30°C, waarbij beide metingen 0,1°C bereiken bij 20°C. Het systeem realiseert snelle overgangen van 10 minuten tussen 20°C en 30°C. Thermische uniformiteitsbeoordelingen met behulp van een derde temperatuursonde onthulden axiale en vlakke temperatuurgradiënten van minder dan 1 ° C / mm in de centrale gebieden van het monster bij het implementeren van objectieve koelringen - een cruciale prestatie voor experimenten met hoge precisie.

Het onderzoekspotentieel van het systeem werd aangetoond door middel van hartritmestudies bij zebravisembryo's, waarbij de calciumgevoeligheid van myocardcellen een bekende temperatuurafhankelijkheid aantoont. Zowel 24 uur na de bevruchting (hpf) als 48-hpf-embryo's vertoonden significante hartslagstijgingen bij stijgende temperatuur. In tegenstelling tot eerdere onderzoeken waarvoor afzonderlijke monstergroepen nodig zijn, maakt dit systeem het continu volgen van individuele embryo's over temperatuurvariaties mogelijk, waardoor artefacten op het gebied van populatiemiddeling worden geëlimineerd. Gemeten embryohartfrequenties van 48 pk bij 20°C, 25°C en 30°C vertoonden uitstekende overeenstemming met de waarden uit de literatuur (respectievelijk 14%, 1% en 8% relatieve fouten).

Dit draagbare microscopische temperatuurcontrolesysteem levert uitzonderlijke prestaties over het fysiologische bereik (20-30°C), terwijl de thermische gradiënten worden geminimaliseerd, vooral in sub-omgevingscondities. Het belangrijkste voordeel ligt in het mogelijk maken van temperatuurstappenstudies van individuele biologische exemplaren, waardoor onderzoek naar gepersonaliseerde temperatuureffecten wordt vergemakkelijkt. Het huidige operationele bereik strekt zich uit van 19°C tot 37°C, met potentieel voor uitbreiding door geoptimaliseerd thermisch ontwerp en materiaalkeuze om warmteverlies bij extreme temperaturen te verminderen.

Kalibratie van het fasesysteem werd uitgevoerd binnen het fysiologische bereik van zebravisembryo's met behulp van een derde thermokoppelsonde. Alle zebravisexperimenten voldeden aan EU-richtlijn 2010/63/EU en de Duitse Dierenwelzijnswet, met de juiste goedkeuringen van de ethische commissie.