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浙大科学家提出三维光学超分辨成像新方法

打开活细胞观察新视野

发布时间:2018-12-10来源:浙大新闻办 作者:柯溢能 卢绍庆3565

近日,浙江大学光电科学与工程学院刘旭教授和匡翠方教授课题组提出了一种新颖的光学成像技术——多角度干涉显微镜(MAIM),实现了对生物体内活细胞的多色、长时程、高速和三维超分辨成像,为微管、内质网、线粒体和细胞膜等亚细胞器的生物动力学分析提供了有力的研究工具。这项研究发表在知名期刊《自然·通讯》上。

研究从诺贝尔奖开始

沈复在《浮生六记》中曾写道,余忆童稚时,能张目对日,明察秋毫,见藐小之物必细察其纹理,故时有物外之趣。

到了现代社会,要看清楚微观世界,人们研究出了显微镜。

2014年的诺贝尔化学奖颁发给了超分辨荧光显微技术的发明者,这一技术利用特定的荧光染料实现光学的超分辨,突破衍射极限,到达200纳米以下的尺度。科学家们可以通过光学显微镜,看到细胞的精细结构。然而,这项技术也有自己的弊端,比如对荧光染料有特殊的擦除或者开关效应要求,或需要获取成百上千张原始图像以重构超分辨图像,因此成像时间较长。短则十几秒,长则几十分钟才能获得一张超分辨图像,对于捕捉活细胞的运动瞬间仍旧困难重重。

与此同时,现有超分辨显微还有一个较大的瓶颈是,在大多数情况下,成像需要很强的激发光,这对细胞,尤其是活细胞来说很不友好,常常会将细胞杀死。而且强光照射也会导致荧光分子被快速漂白,无法对活细胞进行长时程成像。

因此,如何规避现有的瓶颈,捕捉到活体状态下亚细胞、蛋白的运动,成为了课题组要攻克的难题。

看见一个新世界探寻生命的原理

课题组提出了一种基于非共轴干涉系统的新型光学成像技术(系统图如图1所示)。该方法结合了结构光照明显微技术和多角度全内反射照明显微技术,适用于任何荧光染料标记下的超分辨成像。


图1 MAIM系统示意图,该系统主要由两套扫描振镜构成,用于控制照明光束的入射角和方位角,实现变角度倏失场照明下的结构光成像。

 

常规光学显微镜的分辨率具有极限,在可见光照明区域,横向极限分辨率是成像光波长的一半(250-300纳米) , 轴向上500-600纳米。而结构光照明显微技术只将横向和轴向分辨率上提升了一倍。课题组巧妙地把多角度全内反射照明引入到结构光照明显微技术中,实现了横向分辨率~100纳米,轴向分辨率~40纳米的三维超分辨成像。

在成像速度提升方面,课题组通过利用变角度倏失场照明下的结构光成像,并结合计算成像模型,使得三维成像速度大大提升。同时由于所需光剂量低,成像速度快,减少了荧光漂白,有利于长时程观测。对活细胞内线粒体和微管的成像结果如图2所示,揭示了它们的三维动态变化。


图2 活细胞内线粒体(a,b)和微管(c,d)实验结果。(a,c)横向超分辨和衍射受限的低分辨成像结果;(b,d)三维超分辨动态成像结果(颜色代表轴向信息)。

 

负责人刘旭教授介绍,对细胞膜附近的细胞器进行三维快速超分辨成像,可以为亚细胞研究提供可能,揭示生命内在规律。对此,刘旭教授举了如下例子:过去进行药物效果实验,大多只能通过整体的结果研究来了解药物疗效,而无法研究药物是如何穿透细胞膜,如何运动以及如何相互作用的。未来就可通过MAIM显微镜,了解这些动态过程,从而大大提高各种研究的效率。这一新颖的成像技术已经研制成仪器,正在产业化。

本项研究的合作单位包括中北大学和华中科技大学,研究得到科技部973项目和国家自然科学基金委员会重大仪器等项目的资助。

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-07244-4

部分图片由课题组提供

(文 柯溢能/摄影 卢绍庆)