新型显微镜技术揭示了前所未有的细节

斑马鱼眼睛的细胞在计算上“爆炸了”。刘等人的视频

350多年前，英国自然哲学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）通过显微镜在一块软木塞上看了一下，发现它是由小的盒状隔间组成的，他将其命名为“细胞”。

从那一刻起，胡克和他之后无数好奇的人奋力争取更好地了解这些基本的生活构成要素。现在，进入蜂窝世界的窗口变得更加清晰。

在4月20日出版的《科学》杂志上的一项新研究中，来自霍华德·休斯医学研究所（HHMI）哈佛医学院的简妮莉亚研究园区和合作机构的研究人员报告说，显微镜的发展使其能够捕获前所未有的细节3D图像以及生物体内细胞的视频。

癌细胞（绿色）迫使其穿过血管壁（紫色）。Rick Groleau和Kevin Jiang的视频

由诺贝尔奖获得者和简妮亚小组负责人埃里克·贝齐格（Eric Betzig）领导的研究小组采用了天文学家用来研究遥远恒星的技术，通过制作一系列令人惊叹的电影展示了这项新技术：癌细胞从血管中爬行，脊神经细胞连接进入电路，免疫细胞在斑马鱼的内耳中巡游，等等。

显微镜的分辨率非常强大，甚至可以捕获亚细胞的细节，例如称为囊泡的微小气泡的动力学，这些气泡将分子货物转运到细胞中。

“这是能够看到我们从未见过的奇迹。该研究的合著者，HMS细胞生物学教授Tomas Kirchhausen以及波士顿儿童医院的Springer家庭儿科主任和高级研究人员说，这简直令人难以置信。

中性粒细胞（中心）在斑马鱼的眼睛中吞噬带有颜色标记的糖（蓝色），血细胞（顶部）在毛细血管中放大。Rick Groleau和Kevin Jiang的视频

“每次使用显微镜进行实验时，我们都会观察到一些新颖的事物，并产生了新的思想和假设进行检验，”基希豪森说。“它可以用于研究我能想到的生物系统或生物中的几乎所有问题。”

尽管科学家使用显微镜观察细胞已有数百年历史，但迄今为止，最清晰的视图来自载玻片上分离出的细胞。实时可视化活生物体内的活细胞仍然更具挑战性。

感兴趣的细胞被组织和其他生物结构所包围，这些组织和其他生物结构对来自和返回显微镜物镜的光线进行了扰乱，从而使重要的细节变得模糊不清。另一方面，强大到足以穿透生物结构并产生清晰细胞视图的光会损坏组织。

这项研究的通讯作者贝齐格说：“这令人产生一种令人怀疑的怀疑，即我们没有看到处于自然状态的细胞，它们很高兴地被它们所进化的生物所迷住。”“人们通常认为眼见为实，但谈到细胞生物学时，我认为更合适的问题是，'我们什么时候才能相信我们所看到的？”'

一项新的显微镜技术使我们能够看到前所未有的细胞和组织。

Betzig及其同事将这一原理应用于微观世界，使用双光子激光器创建了一个自适应光学系统，该系统可以在晶格光片穿透生物体时保持较弱的照明，从而生成目标的无畸变图像。

该团队通过各种生物样品验证了新型自适应光学/格子光片显微镜，并通过HMS系统生物学副教授Kirchhausen和Sean Megason的实验室开展了许多工作。

为了充分利用他们生成的数据，该团队创建了定制的软件以及计算和可视化工作流，由研究共同首席作者Gokul Upadhyayula，波士顿儿童医院HMS讲师，基希豪森实验室研究助理和刘宗立（Sung-Li）牵头。 ，以前是HHMI Betzig实验室的研究科学家。

Upadhyayula说：“对于我们生成的数据类型，没有一种商业软件可用于制作可解释的电影并提取具有生物学意义的信息，因此我们构建了必要的工具。”“这使我们能够以有意义的方式了解所获取的内容并以可视化方式显示数据，包括在不久的将来提供完全交互式的3D电影。”

成为焦点

结果是惊人的。在一部电影中，一个炽热的橙色免疫细胞在斑马鱼的耳朵里疯狂地蠕动着，同时沿途挖出了蓝色的糖粒。在另一种情况下，正在迁移的癌细胞在穿过血管并试图挤压穿过血管壁时会拖曳粘性附件。

该团队拍摄了细胞器在细胞切开过程中在细胞内部重塑时的行为的电影，甚至实时和近乎分子地可视化了网格蛋白介导的内吞作用过程，细胞利用该过程从外部环境中捕获物质。 。

Kirchhausen说：“我致力于了解细胞是如何使用基于水泡载体的机器“吞噬”的，而我一生都梦想着能在活生物体中看到这种情况。“我们终于实现了这一目标。”

Betzig说，3-D多细胞环境的复杂性可能是压倒性的，但是成像的清晰度使研究人员能够通过计算“分解”组织中的单个细胞，从而专注于任何特定细胞内的动力学。

“就像‘星际迷航’。这又是探索的时代，” Upadhyayula说道。“我们甚至都不知道要问什么问题，因为在这种详细程度下，我们甚至从未见过其中一些生物。”

Betzig说，没有自适应光学元件，所有这些细节都很难看清。“这太模糊了。”在他看来，自适应光学是当今显微镜研究中最重要的领域之一，擅长3-D实时成像的点阵光片显微镜是展示其功能的理想平台。

下一步是使该技术负担得起且易于使用。当前的显微镜占用了10英尺长的桌子。Betzig的团队与Kirchhausen和Upadhyayula合作，正在开发下一代版本，该版本应该可以安装在一张小桌子上，而在单个实验室中则可以承受。

第一款这样的仪器将送往Janelia的Advanced Imaging Center，世界各地的科学家都可以申请使用。同时制造的第二台仪器将位于波士顿HMS Quad的Kirchhausen实验室。也将提供建造该仪器的计划。

出版物：Tsung-Li Liu等，“以其原始状态观察细胞：成像多细胞生物中的亚细胞动力学，《科学》，2018年4月20日：卷360，发行6386，eaaq1392； DOI：10.1126 / science.aaq1392