關(guān)于體內(nèi)活細(xì)胞的三維影像的研究分析

先進(jìn)的顯微鏡

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透過大氣湍流獲取清晰天體視圖的技術(shù)

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一個(gè)全新的活體顯微鏡！

它可以讓您看到生命系統(tǒng)內(nèi)細(xì)胞的三維視頻，大開眼界。

以下視頻顯示了癌癥細(xì)胞（綠色）侵入血管（紫色）的過程。

圖像提供：T. Liu et al./《科學(xué)》雜志2018年刊

拍攝以上視頻的AO-LLS（自適應(yīng)光學(xué)柵格光片）顯微鏡由物理學(xué)家Eric Betzig帶領(lǐng)的一組研究人員開發(fā)。它將柵格光片顯微鏡與自適應(yīng)光學(xué)相結(jié)合——前者將一層薄光掃過活體細(xì)胞，后者則是望遠(yuǎn)鏡的一種使用方法，能夠修正光穿過大氣層時(shí)的視覺障礙。

根據(jù)Engadget的報(bào)道，“這是科學(xué)家首次窺視活細(xì)胞的內(nèi)部，并拍攝下了前所未有的三維影像細(xì)節(jié)，清晰地展示細(xì)胞的機(jī)能。憑借專用顯微鏡和新的光學(xué)技術(shù)，來自哈佛大學(xué)和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的團(tuán)隊(duì)以前所未有的分辨率捕捉到了斑馬魚免疫細(xì)胞相互作用的三維細(xì)節(jié)。這一技術(shù)使人們對(duì)細(xì)胞機(jī)能產(chǎn)生了新的認(rèn)識(shí)，也將改變?nèi)藗儗?duì)細(xì)胞層面的生物體機(jī)能的認(rèn)識(shí)。”

斑馬魚體內(nèi)的細(xì)胞器形態(tài)和動(dòng)力學(xué)。(A) 通過計(jì)算分離發(fā)育中的斑馬魚大腦中的細(xì)胞神經(jīng)前體細(xì)胞。(B) (A)中顯示的特定細(xì)胞中的細(xì)胞器不斷變化的形態(tài)。(C) 斑馬魚胚胎眼睛中的MIP視圖。(D) 視頻中的六張圖像（如下所示）。(E) 眼睛和耳朵中細(xì)胞核體積與細(xì)胞總體積之間的關(guān)系。(F) 斑馬魚胚胎脊柱附近轉(zhuǎn)運(yùn)高爾基氏體的不同形態(tài)。圖像提供：Betzig et al./《科學(xué)》雜志2018年刊

該項(xiàng)研究使用MATLAB和Image Processing Toolbox以三維方式對(duì)細(xì)胞及細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割、跟蹤和測(cè)量。研究團(tuán)隊(duì)使用Image Processing Toolbox濾光鏡和形態(tài)函數(shù)整理各個(gè)細(xì)胞的分段并識(shí)別每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞核和其他特征。研究人員使用自定義MATLAB函數(shù)來跟蹤細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

活體細(xì)胞成像的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)

AO-LLS顯微鏡克服了活組織細(xì)胞成像中的兩大難題。

第一個(gè)難題是照明方法：光線通常會(huì)比較明亮刺眼，可能會(huì)損傷科學(xué)家嘗試研究的細(xì)胞。

“生命尚未進(jìn)化到可以抵御這種傷害的程度。如果你沒直接殺死細(xì)胞，你就總會(huì)充滿疑惑，‘我到底對(duì)這個(gè)可憐的小東西做了什么，我看到的真的是它平常的樣子嗎？’”，Betzig說道。

LLS極大地減少了細(xì)胞成像所需的光線量。LLS顯微鏡不是并不新奇，但是隨著光線深入多細(xì)胞系統(tǒng)內(nèi)部，分辨率會(huì)降低。

Betzig告訴《自然》雜志，“過去無法深入到樣本中進(jìn)行成像，因?yàn)楣鉂B透到組織中越深，‘變形’或彎曲的越嚴(yán)重。因此，盡管它能夠?qū)ιw片上的細(xì)胞進(jìn)行成像，但卻無法使發(fā)育中的胚胎成像?，F(xiàn)在，這個(gè)限制已經(jīng)消除了。”

但是又出現(xiàn)了第二個(gè)挑戰(zhàn)：科研人員需要考慮深入樣品進(jìn)行細(xì)胞成像時(shí)出現(xiàn)的失真問題。

據(jù)《國(guó)家地理》雜志報(bào)道，“為幫助修正這一問題，Betzig借用了天文學(xué)家所用的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。對(duì)于地球上的望遠(yuǎn)鏡，我們星球的大氣層同樣會(huì)使遠(yuǎn)距離空間對(duì)象的圖像失真。自適應(yīng)光學(xué)可測(cè)量該失真并進(jìn)行修正，提供清晰、穩(wěn)定的星體、星系和其他宇宙對(duì)象的圖片。”

結(jié)果讓人驚嘆不已，科學(xué)家看到了自然狀態(tài)下的活細(xì)胞。該研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上并包含多個(gè)視頻，展示了細(xì)胞在自然環(huán)境中的機(jī)能活動(dòng)。該研究采用的是斑馬魚胚胎中的細(xì)胞。

斑馬魚胚胎脊髓的內(nèi)部。圖片提供：T. Liu et al./《科學(xué)》雜志2018年刊

顯微鏡

AO-LLS顯微鏡是一個(gè)比較復(fù)雜的裝置。據(jù)Betzig估計(jì)，顯微鏡的元件成本就要將近80萬美元，其中包含35個(gè)鏡頭、29個(gè)反光鏡、2個(gè)激光器、4個(gè)攝像頭和一個(gè)減震光學(xué)臺(tái)。

除了大量硬件外，AO-LLS還需要通過MATLAB和其他工具箱進(jìn)行大量計(jì)算。在每個(gè)時(shí)步，細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化都會(huì)被識(shí)別、跟蹤和測(cè)量。斑馬魚胚胎物理運(yùn)動(dòng)的計(jì)算結(jié)果也會(huì)被修正。