前沿进展 | 新型显微镜揭示分子细胞“高速世界”新发现

活细胞是由多种蛋白质和分子组成，其以单体、细丝、膜和球状结构的形式经历热运动和运输运动，构成了所有生命活动的基石。对微型细胞结构的观察检测是当代生命科学的细胞显微研究中的一个重要核心问题。

然而，根据现有生命细胞显微成像技术，小型细胞结构往往很难观测。

第一，细胞结构的横截面越小，通常在光源激发下的直接（相干）光散射能重新发射的光就越少。

第二，通常，尺寸越小的细胞结构，移动的速度越快。然而，人们通常无法预测生物相互作用的关键性时刻。如果关键性的互动发生在毫秒的时间尺度上，有时需要记录数千张图像。

在生命细胞显微成像技术方面，尽管荧光成像技术具有公认的优势，但荧光团漂白现象和荧光光子的有限输出限制了对动态活细胞的许多研究；激光以其强大的（空间和时间）相干性和干涉能力而闻名，但是激光的干涉增强技术通常很难应用于细胞生物学，因为细胞的强结构表面产生了太多不需要的干涉图案（激光散斑）。

近日，来自德国弗莱堡大学的研究人员以“100 Hz ROCS microscopy correlated with fluorescence reveals cellular dynamics on different spatiotemporal scales”在Nature Communications发表论文，报道了他们开发出了一种称为旋转相干散射光谱（ROCS）的新型显微镜技术。这种旋转相干散射光谱显微技术可以克服光学衍射限制，将从多个不同角度斜照的样品中散射的光相加，实现对微型细胞器的高精度动态成像。

这种旋转相干散射显微成像方法通过对从不同方向照射的多个相干图像的非相干平均，不仅可以提供强大的分离对比度，还可以提供几乎无伪影的图像，解析“传统非相干荧光显微镜无法分辨的”图像结构。

图1 ROCS显微镜的原理示意图。

在实验中，这种新型旋转相干散射显微镜使用蓝色激光作为激发光源，利用分子、病毒或细胞结构等小物体的散射方式，将比红光粒子多近十倍的蓝色粒子定向传输到相机，从而传输有价值的信息。

与传统激光和荧光生物成像技术相比，这种新型旋转相干散射显微镜具有多个显著优势：首先，通过高度倾斜的样品照明将空间分辨率提高近两倍；其次，通过将准直激光束旋转2π方位角，获得几乎无散斑的图像。这些静态和确定性散斑只不过是物体结构的变形图像，它们会局部改变相位，导致相机上的多重干扰。因此，通过2π角积分，变形的多重干涉（散斑）变成有意义的、清晰的物体图像。

在这项工作中，研究人员将倾斜的激光束围绕物体每秒旋转100圈，从而每秒产生100张图像。弗赖堡的亚历山大·罗巴赫（Alexander Rohrbach）表示，在十分钟的观察中，“我们已经有了60000张活细胞图像，它们的动态性远远超过了之前的想象”。

这种新型旋转相干散射显微镜不仅能够同时记录ROCS信号和荧光信号，将荧光成像的特异性与无标记ROCS成像的毫秒动力学结合起来，而且还能够提取其他成像技术无法轻易获得的相关的生物信息。

图2 固定髓样细胞的电子显微照片与活髓样细胞的ROCS图像。

基于定制算法和分析方法，这种新型旋转相干散射显微镜可以揭示不同时空尺度上的细胞动力学。例如，TIR-ROCS能够检测巨噬细胞肌动蛋白皮质结构的毫秒级重组；肥大细胞快速脱颗粒和开孔；心肌细胞和成纤维细胞之间的纳米管动力学；热噪声驱动的病毒大小颗粒的结合行为；以及肺细胞皮质的细菌凝集素动力学。这种100 Hz ROCS显微镜揭示了分子细胞结构高速世界中各种新颖的发现，还允许分子吸收和特异性与光学切片和3D成像相结合。

通过结合荧光技术提供的特异性，ROCS代表了一种全新的成像方法，并可以很好地集成到现有显微镜上。这种新型ROCS显微镜有望在未来的细胞生物学、医学检测、健康监测等诸多领域产生重要应用影响。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29091-0

编译来源：

https://optics.org/news/13/4/25

科学编辑|Edward

编辑|金梦菲菲