來(lái)自美國(guó)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所，Janelia研究園的科學(xué)家們，借助其發(fā)展的新光學(xué)超分辨率成像技術(shù)，在前所未有的高分辨率條件下研究了活體細(xì)胞內(nèi)的動(dòng)態(tài)生物過(guò)程。他們的新方法顯著的提高了結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡(structuredilluminationmicroscopy，SIM)的分辨率， 一種最適合活體超分辨成像的技術(shù)。
新技術(shù)所拍攝的視頻生動(dòng)地展現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和相互作用。它們幫助生物學(xué)家理解細(xì)胞是怎樣改變它們之間的依存結(jié)構(gòu)，以及重整細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)使得細(xì)胞外的分子可以被吸收到細(xì)胞內(nèi)。來(lái)自Janelia研究園的研究員EricBetzig博士，李棟博士后*和他們的同事們基于原有的SIM顯微鏡原理新發(fā)展 了兩種新的超分辨率成像技術(shù)。超分辨率光學(xué)顯微成像技術(shù)能夠跨越理論的分辨率極限，在極高的分辨率下展現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。但是，到目前為止，超分辨率顯微鏡技術(shù)卻依然不能進(jìn)行有效的活體細(xì)胞成像。
“這些方法設(shè)立了超分辨率光學(xué)顯微鏡的成像速度和非侵入特性的新標(biāo)準(zhǔn)，它們使得超分辨率活體細(xì)胞成像成為現(xiàn)實(shí)�！盉etzig博士說(shuō)道。在傳統(tǒng)的 SIM顯微鏡中，物鏡下的物體被非均勻的結(jié)構(gòu)光(類似于條紋碼)所照明。在實(shí)驗(yàn)中，幾束不同的結(jié)構(gòu)光用來(lái)照明物體，它們和物體在不同角度混頻所產(chǎn)生的摩爾條紋被相機(jī)依次采集。然后計(jì)算機(jī)提取摩爾條紋編碼的信息并將其解碼生成三維的高分辨率圖像。最終重建的SIM圖像具有高于傳統(tǒng)顯微鏡圖像2倍的空間分辨率。
Betzig博士和其他兩位科學(xué)家因?yàn)榘l(fā)展超分辨率熒光顯微鏡而被授予2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他說(shuō)道，SIM顯微鏡技術(shù)之所以沒(méi)有得到像其它方法那樣多的關(guān)注，是因?yàn)槠渌夹g(shù)能夠提供比兩倍更高的分辨率改進(jìn)效果。但是，他強(qiáng)調(diào)SIM擁有兩大其它的超分辨率方法所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。這些其它方法包括了兩種去年獲得諾貝爾獎(jiǎng)表彰的技術(shù)：他和同事HaraldHess博士于2006年開(kāi)發(fā)的光激活定位顯微鏡(photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM)，和受激輻射耗盡(stimulatedemissiondepletion，STED)顯微鏡。但是，這兩種技術(shù)都需要過(guò)多或過(guò)強(qiáng)的光來(lái)照明樣品，以至于熒光蛋白很快被漂白，細(xì)胞樣品很快被損害，從而不可能長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行成像。然而，SIM在這些方面不一樣，“我愛(ài)上了SIM，因?yàn)樗乃俣群芸�，而且它所需的照明光�?qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn) 小于其它方法。”Betzig博士說(shuō)道。
Betzig博士在2011年MatsGustafsson博士去世后不久開(kāi)始與SIM相關(guān)的研究。Gustafsson博士是SIM技術(shù)的先驅(qū)之一，生前也是Janelia的研究員。Betzig博士那時(shí)已經(jīng)深信SIM有潛力為解析細(xì)胞內(nèi)部的工作機(jī)理提供重要的見(jiàn)解，如果SIM的空間分辨率可以被 提高，它對(duì)于生物研究的可用性將被大大增強(qiáng)。
在生前，Gustafsson博士和博士生HesperRego發(fā)展了一種利用飽和耗盡(saturateddepletion)的非線性SIM技術(shù)，但這種技術(shù)在改進(jìn)分辨率的同時(shí)需要使用很多的光照并且散失了SIM成像速度快的優(yōu)勢(shì)。Betzig博士想到了一種可以避免這些缺陷的方法。
飽和耗盡非線性SIM利用光可反復(fù)開(kāi)關(guān)的熒光蛋白和其在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的飽和耗盡效應(yīng)來(lái)提高分辨率。它產(chǎn)生圖像的過(guò)程是，首先把所有的熒光蛋白分子激活到可發(fā)光的狀態(tài)(亮態(tài))，然后用一束結(jié)構(gòu)光把大部份的亮態(tài)分子反激活到暗態(tài)。通過(guò)結(jié)構(gòu)光反激活之后，僅有少數(shù)處于結(jié)構(gòu)光最弱區(qū)域的分子仍然保持在亮態(tài)。這些光調(diào)控過(guò)程提供了物體的高空間頻率信息，從而讓圖像更加清晰。這一過(guò)程需要重復(fù)25或更多次才能產(chǎn)生最終的高分辨率圖像。Betzig博士說(shuō)道，這一原理 非常類似于STED或另一種與其相關(guān)的叫做RESOLFT的超分辨率技術(shù)的原理。
這一技術(shù)并不適合于活體成像，因?yàn)榧せ詈头醇せ顭晒獾鞍仔枰荛L(zhǎng)的時(shí)間。另外，反復(fù)的光照明會(huì)對(duì)細(xì)胞和熒光蛋白本身造成損傷。Betzig博士說(shuō)道， “這一技術(shù)的問(wèn)題在于你首先用光激活了所有的熒光蛋白分子，然后你馬上又用另一束光反激活了大部份分子。這些被反激活的分子對(duì)最終的圖像沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，但卻被你用光“油炸”了兩次。你讓分子承受了很大“壓力”，并且花了很多你并沒(méi)有的時(shí)間，因?yàn)檫@段時(shí)間內(nèi)細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)�！�
解決方法其實(shí)很簡(jiǎn)單，Betzig博士說(shuō)道：“沒(méi)有必要激活所有的分子。”在Betzig研究小組新發(fā)展的結(jié)構(gòu)光激活非線性SIM的技術(shù)中，一開(kāi)始用 結(jié)構(gòu)光只激活樣品里的一部分熒光蛋白分子�！斑@一結(jié)構(gòu)光激活過(guò)程已經(jīng)給你一些高分辨率的信息了�！盉etzig博士解釋道。另外一束結(jié)構(gòu)光用于反激活分 子，額外的信息可以在反激活的過(guò)程中同時(shí)被讀出。兩個(gè)結(jié)構(gòu)光疊加的效應(yīng)給與最終圖像62納米的分辨率，這一結(jié)果好于原始的SIM，并且把由光波長(zhǎng)決定的傳統(tǒng)分辨率極限改進(jìn)了三倍。
“我們能夠做到快速地超高分辨率成像。”Betzig博士說(shuō)道。這很重要，他補(bǔ)充道，因?yàn)閷?duì)于動(dòng)態(tài)過(guò)程，單純提高空間分辨率而沒(méi)有相應(yīng)地提高成像速度是沒(méi)有意義的�！叭绻�(xì)胞內(nèi)部有的結(jié)構(gòu)以1微米每秒的速度運(yùn)動(dòng)，并且我有1微米的分辨率，那么我需要在一秒內(nèi)采集圖像。但如果我有1/10微米的分辨率， 那么我就必需在1/10秒內(nèi)采集圖像，不然圖像將變得模糊�！盉etzig博士解釋道。
結(jié)構(gòu)光激活非線性SIM可在1/3秒內(nèi)采集25幅原始圖像，并從中重建出一幅高分辨率圖像。它的圖像采集很高效，只需用較低的照明光強(qiáng)，并且收集每一個(gè)亮態(tài)熒光蛋白分子所攜帶的信息。從而有效地保護(hù)了熒光分子，使得顯微鏡能夠進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的成像，讓科學(xué)家們可以觀測(cè)到更多的動(dòng)態(tài)活動(dòng)。
Betzig博士的團(tuán)隊(duì)利用結(jié)構(gòu)光激活非線性SIM獲得了在細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和改變形狀的過(guò)程中骨架蛋白的解體和自身再組裝過(guò)程，以及在細(xì)胞膜表面的叫做caveolae的微小內(nèi)吞體動(dòng)態(tài)過(guò)程的影像。
在Science論文里，Betzig博士的團(tuán)隊(duì)也利用了已經(jīng)商業(yè)化的高數(shù)值孔徑物鏡將傳統(tǒng)SIM的空間分辨率提高到84納米。高數(shù)值孔徑限制了被光照明的樣品范圍，從而降低了光對(duì)細(xì)胞以及熒光蛋白分子的損傷。這一方法可以同時(shí)對(duì)多個(gè)顏色通道進(jìn)行成像，使得科學(xué)家們可以同時(shí)跟蹤幾種不同蛋白質(zhì)的活動(dòng)。
通過(guò)高數(shù)值孔徑的方法，Betzig博士的團(tuán)隊(duì)觀測(cè)了多個(gè)骨架蛋白質(zhì)在形成粘著斑(鏈接細(xì)胞內(nèi)外的物理鏈)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)和相互作用。他們也追蹤了clathrin修飾的內(nèi)吞體的成長(zhǎng)和內(nèi)吞過(guò)程(內(nèi)吞體將細(xì)胞外的分子轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi))。他們的定量分析回答了幾個(gè)不能被以往的成像技術(shù)所解決的問(wèn)題，例 如，內(nèi)吞體的分布，以及內(nèi)吞體尺寸和壽命之間的關(guān)系。最后，通過(guò)結(jié)合高數(shù)值孔徑方法和結(jié)構(gòu)光激活非線性SIM，Betzig博士和他的同事可以在超高分辨率條件同時(shí)追蹤兩種蛋白質(zhì)的活動(dòng)。
Betzig博士的團(tuán)隊(duì)在進(jìn)一步提高他們的SIM技術(shù)。他們也急切地盼望和生物學(xué)家一起探索潛在的應(yīng)用并進(jìn)一步改進(jìn)這一技術(shù)的可用性。
現(xiàn)在，科學(xué)家們可以通過(guò)現(xiàn)在，科學(xué)家們可以通過(guò)JaneliaJanelia的高級(jí)成像中心利用這些新的的高級(jí)成像中心利用這些新的SIMSIM技 術(shù)，這個(gè)中心提供免費(fèi)使用前沿的顯微鏡技術(shù)的機(jī)會(huì)。最后，技術(shù)，這個(gè)中心提供免費(fèi)使用前沿的顯微鏡技術(shù)的機(jī)會(huì)。最后，BetzigBetzig博士說(shuō)道， 使得博士說(shuō)道，使得SIMSIM成為能夠被其他實(shí)驗(yàn)室獲得并能夠承擔(dān)的技術(shù)應(yīng)該是比較直接的事�！按蟛糠莸摹g(shù)’在于軟件而不是硬件�！背蔀槟軌虮黄渌麑�(shí)驗(yàn)室獲得并能夠承擔(dān)的技術(shù)應(yīng)該是比較直接的事�！按蟛糠莸摹g(shù)’在于軟件而不是硬件�！�
文章參考：儀器信息網(wǎng)
