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现在可以实时进行超高分辨率显微镜检查

2021-08-26 08:53:25来源:

新显微镜拍摄的图像显示了一个活的骨癌细胞,其细胞核(蓝色),线粒体(绿色)和细胞骨架(品红色)。

它们可以使微小的细胞结构可见:尖端的光学显微镜可提供十分之几纳米的分辨率,即百万分之一毫米。到目前为止,由于必须记录更多或更精细的图像数据,所以超分辨率显微镜比传统方法要慢得多。比勒费尔德大学的研究人员与耶拿(Jena)的合作伙伴一起,现已进一步开发了超分辨率SR-SIM工艺。学者表明,SR-SIM也可以实时且以很高的成像速率进行拍摄,因此例如适合于观察非常小的细胞颗粒的运动。他们的发现发表于2019年9月20日的《自然通讯》杂志上。

物理学教授Thomas Huser博士是比勒费尔德大学生物分子物理工作组的负责人。

“这就是使这种显微镜对于生物学或医学应用真正有用的原因。迄今为止的问题是,提供足够高分辨率的显微镜无法以相应的速度显示信息。”比勒费尔德大学生物分子物理工作组负责人Thomas Huser教授说。SR-SIM项目由德国研究基金会(DFG)和欧盟通过MarieSkłodowska-CurieActions资助。

SR-SIM代表“超分辨率结构照明显微镜”,是一种荧光显微镜程序。用激光照射物体。这种光激发样品中的特殊荧光分子,使它们重新发射不同波长的光。显微图像然后显示重新发射的光。“与其他传统的荧光显微镜方法不同,SR-SIM不能均匀地照亮标本,而是具有精细的网格状图案。这项特殊技术可实现更高的分辨率。” Huser说。

该过程包括两个步骤:首先将标本重新发射的光记录在几张个体图像中。然后从这些原始数据在计算机上重建完成的图像。比勒费尔德大学生物分子物理学工作组成员,该研究的主要作者安德烈亚斯·马克维斯(Andreas Markwirth)说:“到目前为止,第二步特别花了很多时间。”因此,比勒费尔德(Bielefeld)研究人员与莱布尼兹光子技术研究所的Rainer Heintzmann博士和耶拿的弗里德里希·席勒大学(Friedrich Schiller University)合作,加快了这一进程。现在设计了显微镜,可以更快地生成原始数据。此外,由于在现代图形卡上使用了并行计算机处理,因此图像重建所需的时间大大减少。

该研究的主要作者是生物分子物理学工作组的物理学家Andreas Markwirth。

在他们的研究中,研究人员在生物细胞上测试了这种新方法,并记录了线粒体(大约一微米大小的细胞器)的运动。“我们已经能够每秒产生约60帧-高于电影胶片的帧速率。测量和图像之间的时间少于250毫秒,因此该技术允许实时记录。” Markwirth说。

迄今为止,超分辨率方法通常已与常规方法结合:使用常规快速显微镜首先发现结构。然后可以使用超分辨率显微镜详细检查这些结构。“但是,有些结构是如此之小,以至于传统显微镜无法找到它们,例如肝细胞中的特定孔。我们的方法既高分辨率又快速,这使生物学家能够探索这种结构。”新显微镜的另一个应用是研究病毒颗粒通过细胞的过程。Huser说:“这使我们能够准确了解感染过程中发生了什么。”他希望显微镜在来年可以用于比勒费尔德大学的此类研究。

超分辨率显微镜仅出现了约20年。1873年,恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)发现,可见光光学系统的分辨率限制在250纳米左右。但是,近年来,已经开发出了几种光学方法来打破所谓的阿贝衍射屏障。2014年,来自美国的William E. Moerner和Eric Betzig以及来自德国的Stefan Hell均因开发约20至30纳米的超高分辨率而获得了诺贝尔化学奖。

参考:Andreas Markwirth,Mario Lachetta,ViolaMönkemöller,Rainer Heintzmann,WolfgangHübner,Thomas Huser和MarcelMüller,“视频速率多色结构照明显微技术,可同时进行实时重建”,Nature Communications.DOI:
10.1038 / s41467-019-12165-x