改进诺奖成果 浙大研发新型成像技术观测细胞世界

发布:社会新闻 时间:2018-12-12 14:34

改进诺奖成果 浙大研发新型成像技术观测细胞世界

赋予人类崭新视野的显微技术,近年来频频收获诺贝尔奖青睐。去年诺贝尔化学奖颁给冷冻电镜技术开拓者,2014年诺贝尔化学奖则颁发给了超分辨荧光显微技术的发明者。日前,中国科学家在这一领域又取得进展。

记者从浙江大学获悉,该校光电科学与工程学院刘旭教授和匡翠方教授课题组从解决超分辨荧光显微技术存在的瓶颈出发,提出一种新颖的光学成像技术,能够在很短时间里实现生物体内活细胞的三维超分辨率成像,成像结果是多色的,且可以反应一个较长时间段内的生命活动。相关论文已发表在著名期刊《自然·通讯》,基于该技术的仪器——多角度干涉显微镜(MAIM)也已制备成功,正在产业化。

刘旭教授介绍,该技术为微管、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,能帮助我们揭示更多生命内在规律。如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。

改进诺奖成果 浙大研发新型成像技术观测细胞世界

活细胞内线粒体和微管。左侧两张图(a,c)是横向超分辨和衍射受限的低分辨成像结果;右侧两张图(b,d)是三维超分辨动态成像结果。

光学显微镜受到自然规律的限制。德国科学家恩斯特·阿贝在19世纪就指出,根据光的衍射原理,光学显微镜的分辨率存在上限,即0.2微米左右。这一铁律阻挡着人们进一步探究微观世界。

电子显微镜的问世极大提升了成像分辨率,但电镜只能看到已死的样本,且样本在观察前需要经过一系列处理,变得非常薄,观察时样本必需处在真空环境中——没有细胞能在经历这一切后还活着。并且,电子显微镜观察到的样本都是没有颜色的。

超分辨荧光显微技术的发明者利用特定的荧光染料和超分辨算法来绕开自然的限制,突破衍射极限,到达200纳米以下的尺度。科学家们由此终于可以通过光学显微镜实时追踪样本的生命周期,可以看到各种生物大分子的运动和变化,展现在观察者眼前的是一个极其丰富而充满动态的世界。

然而,这项获得诺奖的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。此外,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。

针对这些难题,浙大科研团队提出新型光学成像技术。他们在既有超分辨荧光显微技术上基础上,巧妙地引入多角度全内反射照明,使横向分辨率达到100纳米左右,轴向分辨率达到40纳米左右,进一步提升了分辨率。课题组还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。

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。

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