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新型显微镜可捕获生物体内深处细胞的详细3-D影片

通过结合两种成像技术,科学家现在可以观察到前所未有的3D细节,因为癌细胞会爬行,脊神经回路连接起来,免疫细胞在斑马鱼的内耳中巡游。

霍华德·休斯医学研究所Janelia研究园区的组长,物理学家埃里克·贝齐格(Eric Betzig)和同事在《科学》杂志上报告了这项工作。科学家用显微镜对活细胞成像已有数百年历史,但最清晰的视野来自载玻片上分离的细胞。贝齐格说,整个生物体内的大量细胞像一袋大理石一样争夺着光线。“这引起了令人怀疑的怀疑,即我们没有看到处于原始状态的细胞,它们愉快地陷入了它们进化的生物中。”

即使单独观察细胞,最常用于研究细胞内部运作的显微镜通常也太慢而无法跟随3-D的作用。Betzig说,这些显微镜所照射的细胞的强度比沙漠的太阳强数千倍至数百万倍。“这也加剧了我们的恐惧,即我们看不到自然,无应力形式的细胞。

他补充说:“通常人们认为眼见为实,但在细胞生物学方面,我认为更恰当的问题是'何时才能相信我们所见?”

为了应对这些挑战,Betzig和他的团队结合了2014年首次报道的两种显微技术,同年他获得了诺贝尔化学奖。为了解读来自埋在生物体内的细胞的光,研究人员转向了自适应光学系统,这是天文学家用来通过地球湍流提供远距离天体清晰视野的技术。然后,为了对这些细胞的内部编排进行快速而温和的成像,在3-D模式下,研究小组使用了点阵光片显微镜。这项技术可快速重复地将超薄的光线扫过整个细胞,同时获取一系列的2D图像,从而构建出亚细胞动力学的高分辨率3D电影。

新显微镜本质上是三台显微镜:一个自适应光学系统,用于保持点阵光片穿透生物体时的稀薄照明;另一个自适应光学系统,当从照明平面向下观察时,可产生无畸变图像以上。通过沿任一路径照射激光,研究人员可以在他们希望成像的区域内产生亮点。该“导星”图像的扭曲告诉团队沿任一路径的光学像差的性质。研究人员可以通过对激发侧的像素化光调制器施加相同但相反的畸变,并在检测时使用可变形的反射镜来纠正这些畸变。在大体积上,扭曲随着光穿过不同的组织而改变。在这种情况下,

结果为生物学提供了崭新的面貌,并揭示了在亚细胞水平上活跃的繁华都市。在显微镜拍摄的一部电影中,一个炽热的橙色免疫细胞在斑马鱼的耳朵里疯狂地蠕动着,同时沿途sc起了蓝色的糖粒。在另一种情况下,癌细胞在滚动穿过血管并试图在血管壁上购买时,会拖曳粘性附件。

Betzig说,3-D多细胞环境的复杂性可能是压倒性的,但是他的团队成像的清晰性使他们能够以计算方式“爆炸”组织中的单个细胞,从而专注于任何特定细胞内的动力学,例如重塑细胞。细胞分裂过程中的内部细胞器。

Betzig说,没有自适应光学元件,所有这些细节都很难看清。“这太该死了。”他认为,自适应光学是当今显微镜研究中最重要的领域之一,擅长3-D实时成像的点阵光片显微镜是展示其功能的理想平台。他说,自适应光学还没有真正普及,因为该技术非常复杂,昂贵,而且到目前为止还不值得付出努力。但Betzig预测,未来10年内,各地的生物学家都会加入。

下一步是使该技术价格合理且易于使用。“技术演示和出版物并不多。判断显微镜的唯一度量标准是有多少人使用显微镜,以及他们发现显微镜的意义。”贝齐格说。

当前的显微镜充满了一个10英尺长的桌子。Betzig说:“现在有点像科学怪人的怪物。”他将于秋天搬到加州大学伯克利分校。他的团队正在开发下一代版本,该版本应该可以放在小桌子上,而单个实验室可以负担一定的费用。第一台这样的仪器将送往Janelia的Advanced Imaging Center,来自世界各地的科学家都可以申请使用。科学家可以用来创建自己的显微镜的计划也将免费提供。最终,Betzig希望晶格显微镜的自适应光学版本能够像之前的基础晶格仪器一样商品化。这将使自适应光学成为主流。

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