让细胞“动起来”
2019-01-08 14:55
2018年11月，国际权威学术期刊《自然—方法学》刊登了一篇来自美国著名生物医学成像专家、2010年美国青年科学家与工程师总统奖获得者Hari Shroff教授的综述文章。
在文章中，Shroff通过图文表明，“海森结构光显微镜是最灵敏的结构光超分辨率显微镜。与一般的结构光超分辨率显微镜相比，其灵敏度高10倍以上，连续成像的张数也至少高一个数量级，因此能观察到线粒体分裂时的内嵴结构变化”。
得到Shroff高度赞誉的“海森结构光显微镜”其实出自中国科学家之手。
2018年，北京大学陈良怡团队联合华中科技大学谭山团队发表于《自然—生物技术》的这一研究成果，成功将光学显微镜的性能提升到了一个新的高度。
更灵敏 更清楚
细胞孕育着生命的本源，构成了生命的最基本单元。在显微镜发明之前，人类对细胞的认识如同在黑夜中视物。光学显微镜的出现，让人类第一次得以看清细胞内丰富多彩的结构。
“生命是世界上最复杂的物质运动形式，只有看见了生命运动的过程和疾病发生的原因，才能更有针对性、更有效地去治疗这些疾病。因此，生物影像科技的发展将改变生物医学和每个人的未来。”北京大学分子医学研究所研究员陈良怡告诉《科学新闻》。
自诞生至今，显微镜在300年间经历了多代迭代：从最初的光学显微镜到共聚焦显微镜，再到21世纪初的超高分辨显微镜……探索从未止步。
陈良怡及其团队研发出的这款海森结构光显微镜堪称是目前世界上活细胞成像时间最长、时间分辨率最高的超高分辨率显微镜，它适用于各种细胞、不同探针的荧光成像。
分辨率通常被认作是光学显微镜的生命，而海森结构光显微镜可谓将这一点做到了“极致”。在每秒钟得到188张超高分辨率图像时，海森结构光显微镜的空间分辨率可达85纳米，即能够分辨单根头发的1/600~1/800大小结构，而其所需要的光照度却小于常用的共聚焦显微镜光照度3个数量级。
也许通过对比更能清晰地显示出海森结构光显微镜的卓越性能。
比如，在观察细胞内囊泡与细胞质膜融合释放神经递质和激素这一过程时，虽然海森结构光显微镜与2014年摘得诺贝尔化学奖桂冠的STED显微镜均可以观察到囊泡融合形成的孔道，但是前者在此基础上，还进一步解析出了囊泡融合时的4个不同中间态：包括囊泡打开3纳米小孔、囊泡塌陷、融合孔道维持以及最后的囊泡与细胞质膜完全融合，可谓真正实现了膜孔道形成全过程的可视化。
为什么能看得如此清楚？“它是基于一款镜口率为1.7的物镜来实现的。这款物镜有两个好处，第一是它能以最大的镜口率去照明样本，从而获取更高的分辨率；第二是它可以以更大的角度接收荧光，从而获得最大的对比度。”北京大学博士后黄小帅解释说。
有了完美的物镜还不够，研究团队还需要一款与之相匹配的高折射率玻片。虽然目前国际上有一款蓝宝石玻片能够满足需求，但其价格却让人望而却步。
“这种玻片大约50美金1片，如果一天做10片细胞就需要500美金。”黄小帅告诉《科学新闻》。于是，研究团队基于硬件自主设计出了一款玻片，其性能完全可以比美蓝宝石玻片，而成本却只有后者的十分之一。
在实现超高分辨的同时，海森结构光显微镜的超高成像速度也被业内津津乐道——它能实现每秒采集1692张原始图像，而传统的显微镜只能达到视频级的成像速度。
之所以能够做到这一点，其中一个重要原因在于研究者们不断地尝试优化和逼近控制系统的极限。“我们的同步精度可达50纳秒，基于自主设计的新偏振旋转玻片阵列以及高精度的时序控制程序，通过每9张原始图像就能得到1张高分辨的成像，从而实现188Hz时间分辨率的超分辨成像；通过每次变换3张图像滚动重构，可以实现每秒564Hz的超分辨率重构帧率。”北京大学博士研究生吴润龙介绍。
捕捉动态过程
在超高分辨率和成像速度之外，海森结构光显微镜的低光毒性也非常出众，这使得它能够适用于细胞内的各种细胞器研究，尤其是那些对激光强度敏感的细胞器如线粒体。
“对于光学显微镜而言，空间分辨率比结构光照明显微镜更高的超分辨成像技术如STED，需要更多的光子数也就是更高的激光强度。而线粒体受到强激光会产生过多的活性氧，从而导致内部结构被破坏，不利于超分辨的成像。”北京大学博士研究生李柳菊告诉记者。
相比之下，海森结构光显微镜对于线粒体嵴的成像结果更接近于电镜。应用海森结构光显微镜，研究团队实现了线粒体的超快、超分辨成像，首次在活细胞中解析了线粒体融合、分裂时内嵴的活动以及线粒体内嵴自身的重组装过程，并观察到了活细胞内内质网与线粒体发生相互作用时的动态变化。要知道，此前无论是STED还是STORM都无法做到这一点。
也就是说，海森结构光显微镜让生物学家们观察到了以前传统荧光显微成像技术从未观察到的新的细胞结构及动态过程。
分子马达是一类蛋白质，它能将细胞内的东西从一个地方转运到另外一个地方。虽然分子马达的尺寸只有不到100纳米，但它却能以每秒钟1000纳米的速度快速运动，这就使得已有的显微成像工具无法在活体状态下对其进行实时观察。
但海森结构光显微成像技术的诞生解决了这个长期以来困扰清华大学生命科学学院教授欧光朔课题组的难题。
“它提供了前所未有的时间和空间分辨率，使我们看到了细胞里面从来没有看到过的分子马达运动的一些新的特征和行为。所以，海森结构光显微成像技术对细胞生物学家来讲有着迫切的需求。”欧光朔表示。
佩梅病（PMD）是一种罕见的弥漫性脑白质髓鞘形成障碍的X连锁隐性遗传疾病，其与儿童的发育迟缓以及脑白质的发育落后有着密不可分的联系。此前通过对致病机制的研究，研究者们一直认为它是由蛋白在内质网潴积后引发的，而海森结构光显微镜的出现赋予了研究者们新的研究视角。
“我们应用海森结构光显微镜进行了内质网方面的研究，发现了一些新的形式；还发现佩梅病会伴随线粒体的形态和结构而变化，这是之前所不知道的。这些研究能够加深我们对神经遗传病的发生、发展过程的了解，揭示可能的致病新机制。此外，通过寻找一些药物新靶点，也有可能开辟筛选特定药物治疗这一类疾病的广阔前景。”北京大学第一医院儿科教授王静敏表示。
“生命本身是运动的，所以它的运动包含了所有信息。如果我们能看到它在活细胞内是怎样变化的，就有可能知道它在疾病产生时发生了怎样的变化以及如何从一个状态变到另外一个状态。这是我们觉得最有价值的地方。”陈良怡表示。■
《科学新闻》 (科学新闻2018年12月刊 纵横)
