新的成像技術(shù)可以顯示整個細(xì)胞和組織內(nèi)的納米級結(jié)構(gòu)

自從350年前Robert Hooke**次在微生物學(xué)中描述細(xì)胞以來，顯微鏡在理解生命的規(guī)則中扮演了重要的角色。

然而，最小的可分辨特征--分辨率--受光的波動特性所限制的。這個有百年歷史的屏障限制了對細(xì)胞功能、相互作用和動力學(xué)的理解，尤其是在亞微米到納米尺度上。

超分辨率熒光顯微鏡克服了這一基本限制，提供了高達(dá)10倍的分辨率的改進(jìn)，并允許科學(xué)家在前所未有的空間分辨率上可視化細(xì)胞和生物分子的內(nèi)部工作。

然而，當(dāng)觀察全細(xì)胞或組織樣本時，比如在癌癥或大腦研究中經(jīng)常分析的樣本，這種分辨能力就會受到阻礙。從樣本內(nèi)部的分子發(fā)出的光信號，以不同的速度通過細(xì)胞或組織結(jié)構(gòu)的不同部分，導(dǎo)致畸變，這將影響圖像質(zhì)量。

現(xiàn)在，普渡大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新技術(shù)來克服這一挑戰(zhàn)。

"我們的技術(shù)允許我們直接通過單分子產(chǎn)生的信號測量標(biāo)本引起的波前畸變，包括細(xì)胞或組織。"普渡大學(xué)的工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程助理教授Huang Fang說道。"通過對這種扭曲的了解，我們可以精確定位單個分子的位置。我們獲得了細(xì)胞或組織體積內(nèi)成千上萬個獨立分子的坐標(biāo)，并利用這些坐標(biāo)來揭示樣品成分的納米級結(jié)構(gòu)。"

研究小組的這項技術(shù)最近發(fā)表在《自然方法》(Nature Methods)雜志上，題為"Three-dimensional nanoscopy of whole cells and tissues with in situ point spread function retrieval"。

"在三維超分辨率成像過程中，我們記錄了成千上萬的單個熒光分子的發(fā)射模式，"黃實驗室的博士后助理、該論文的**作者之一Fan Xu說。"這些發(fā)射模式可以被看作是在不同軸向位置的隨機(jī)觀測，這些觀測數(shù)據(jù)來自描述這些發(fā)射模式在不同深度的形狀的底層3D點擴(kuò)展函數(shù)，我們的目標(biāo)是檢索這些數(shù)據(jù)。我們的技術(shù)使用兩個步驟：分配和更新，以迭代檢索記錄的單個分子數(shù)據(jù)集的波前畸變和三維響應(yīng)，其中包含在任意位置的分子的發(fā)射模式。"

普渡大學(xué)的技術(shù)允許在整個細(xì)胞和組織內(nèi)精確到幾納米的范圍內(nèi)找到生物分子的位置，從而以高分辨率和保真度分辨細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu)。

黃實驗室的博士后研究員、該論文的**作者之一Donghan Ma說："這一進(jìn)展擴(kuò)大了超分辨率顯微鏡的常規(guī)應(yīng)用范圍，從靠近蓋玻片的選定細(xì)胞目標(biāo)擴(kuò)展到深入組織內(nèi)部的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外目標(biāo)。這種新發(fā)現(xiàn)的可視化能力可以幫助我們更好地理解神經(jīng)退行性疾病，比如阿爾茨海默氏癥，以及許多其他影響大腦和身體各個部位的疾病。"

Landreth說："這項技術(shù)進(jìn)步是驚人的，它將從根本上改變我們評估老年癡呆癥病理特征的準(zhǔn)確性。我們能夠看到越來越小的物體以及它們之間的相互作用，這有助于揭示我們以前沒有意識到的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。"

Calve說，這項技術(shù)是再生療法的一個進(jìn)步，有助于促進(jìn)身體內(nèi)部的修復(fù)。

Calve說："這一進(jìn)展對于理解組織生物學(xué)和可視化結(jié)構(gòu)變化是至關(guān)重要的。"

Chubykin的實驗室主要研究自閉癥和影響大腦的疾病，他說高分辨率成像技術(shù)為理解大腦中的障礙提供了一種新方法。

"這在功能和結(jié)構(gòu)分析方面是一個巨大的突破，"Chubykin說。"我們可以更詳細(xì)地觀察大腦，甚至用基因工具標(biāo)記特定的神經(jīng)元，以供進(jìn)一步研究。"