关于体内活细胞的三维影像的研究分析

关于体内活细胞的三维影像的研究分析

先进的显微镜

+

透过大气湍流获取清晰天体视图的技术

=

一个全新的活体显微镜！

以下视频显示了癌症细胞（绿色）侵入血管（紫色）的过程。

图像提供：T. Liu et al./《科学》杂志2018年刊

拍摄以上视频的AO-LLS（自适应光学栅格光片）显微镜由物理学家Eric Betzig带领的一组研究人员开发。它将栅格光片显微镜与自适应光学相结合——前者将一层薄光扫过活体细胞，后者则是望远镜的一种使用方法，能够修正光穿过大气层时的视觉障碍。

斑马鱼体内的细胞器形态和动力学。(A) 通过计算分离发育中的斑马鱼大脑中的细胞神经前体细胞。(B) (A)中显示的特定细胞中的细胞器不断变化的形态。(C) 斑马鱼胚胎眼睛中的MIP视图。(D) 视频中的六张图像（如下所示）。(E) 眼睛和耳朵中细胞核体积与细胞总体积之间的关系。(F) 斑马鱼胚胎脊柱附近转运高尔基氏体的不同形态。图像提供：Betzig et al./《科学》杂志2018年刊

活体细胞成像的两个主要挑战

AO-LLS显微镜克服了活组织细胞成像中的两大难题。

第一个难题是照明方法：光线通常会比较明亮刺眼，可能会损伤科学家尝试研究的细胞。

“生命尚未进化到可以抵御这种伤害的程度。如果你没直接杀死细胞，你就总会充满疑惑，‘我到底对这个可怜的小东西做了什么，我看到的真的是它平常的样子吗？’”，Betzig说道。

LLS极大地减少了细胞成像所需的光线量。LLS显微镜不是并不新奇，但是随着光线深入多细胞系统内部，分辨率会降低。

Betzig告诉《自然》杂志，“过去无法深入到样本中进行成像，因为光渗透到组织中越深，‘变形’或弯曲的越严重。因此，尽管它能够对盖片上的细胞进行成像，但却无法使发育中的胚胎成像。现在，这个限制已经消除了。”

但是又出现了第二个挑战：科研人员需要考虑深入样品进行细胞成像时出现的失真问题。

据《国家地理》杂志报道，“为帮助修正这一问题，Betzig借用了天文学家所用的自适应光学技术。对于地球上的望远镜，我们星球的大气层同样会使远距离空间对象的图像失真。自适应光学可测量该失真并进行修正，提供清晰、稳定的星体、星系和其他宇宙对象的图片。”

结果让人惊叹不已，科学家看到了自然状态下的活细胞。该研究发表在《科学》杂志上并包含多个视频，展示了细胞在自然环境中的机能活动。该研究采用的是斑马鱼胚胎中的细胞。

斑马鱼胚胎脊髓的内部。图片提供：T. Liu et al./《科学》杂志2018年刊

显微镜

AO-LLS显微镜是一个比较复杂的装置。据Betzig估计，显微镜的元件成本就要将近80万美元，其中包含35个镜头、29个反光镜、2个激光器、4个摄像头和一个减震光学台。

除了大量硬件外，AO-LLS还需要通过MATLAB和其他工具箱进行大量计算。在每个时步，细胞结构的变化都会被识别、跟踪和测量。斑马鱼胚胎物理运动的计算结果也会被修正。