目前生物成像領(lǐng)域已經(jīng)可以采用各種顯微技術(shù)和共聚焦等技術(shù)了,這提高了圖像的精確度,但是要觀察到深層組織活動并不容易,因此在一些活體成像,組織深部觀察等方面還需要更多的技術(shù)進(jìn)步。2012年活體顯微技術(shù),熒光顯微技術(shù),以及活細(xì)胞成像方面都涌現(xiàn)出了不少重要的技術(shù)成果。
活體動物成像技術(shù)主要包括體內(nèi)成像和體外成像兩個方面,其中體外熒光顯微技術(shù)一直以來都是現(xiàn)代生命科學(xué)研究的基礎(chǔ)之一:給熒光基團(tuán)配上一個合適的配體,比如抗體或者量子點,然后將其與組織樣品或者細(xì)胞培養(yǎng)物一起溫育,最后加上光照,這樣標(biāo)記的分子就能通過顯微鏡顯示出來。但是體外方法有一個“致命傷”——不能在天然環(huán)境下描繪生物過程,因此研究人員逐漸從體外觀測轉(zhuǎn)向?qū)w內(nèi)生物體過程的研究。
更高分辨率
但是隨著科學(xué)的進(jìn)步,想要以足夠觀察到細(xì)胞行為和分子信號的分辨率,來分析活體生物依然是個難題,今年著名的華裔女科學(xué)家莊小威領(lǐng)導(dǎo)其研究組介紹了一項超分辨率細(xì)胞成像最新進(jìn)展:超亮光敏熒光基團(tuán)。
目前發(fā)展的超高分辨率熒光顯微鏡技術(shù)可以達(dá)到生物樣品成像10-100nm的分辨率,從而令研究人員觀察到亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)。但是由于大部分蛋白分子只有幾納米,如果要直接解析細(xì)胞中這些分子的相互作用,還需要更高的分辨率。莊小威等人介紹了一種實驗方法,可以將熒光基團(tuán)化學(xué)轉(zhuǎn)換成對熒光狀態(tài)光敏感的穩(wěn)定暗態(tài)(dark state),從而再次提高超高分辨率熒光顯微鏡技術(shù)的分辨率。
不透明物體成像
另外在活細(xì)胞成像中還存在一大阻礙就是要對對不透明物體高分辨率成像,今年來自荷蘭和意大利的研究人員突破了這一技術(shù)限制,利用一種新技術(shù)完成了散射光的成像。
他們掃描了一種能照亮不透明散射的激光束的一角,從而利用激光穿過散射介質(zhì)時所產(chǎn)生的有斑點的強(qiáng)度圖案中的關(guān)聯(lián)性,通過計算機(jī)記錄熒光量,并根據(jù)不同角度的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。
雖然熒光強(qiáng)度無法直接構(gòu)成一張圖片,但是這樣能獲取這些加密情況下的信息。研究人員利用一種程序鑒別出這些加密信息是否足以構(gòu)建圖像,并且由此找到了聚合足夠多信息的方法,這種方法是一種計算機(jī)程序,程序能在開始時猜測丟失的信息,然后進(jìn)行測試,完善猜測。最終他們成功地獲得了一個50微米大小熒光物體的圖像——50微米正是一個典型細(xì)胞的大小。
CellASIC—還原體內(nèi)自然的細(xì)胞生長環(huán)境
除此之外一些技術(shù)產(chǎn)品也能幫助研究人員實現(xiàn)活細(xì)胞成像,比如Amnis(現(xiàn)屬于默克密理博公司)的CellASIC? ONIX,應(yīng)該說這種微流控細(xì)胞芯片技術(shù)觀察的并不是實際的活細(xì)胞狀態(tài),而是一種模擬生物體內(nèi)微環(huán)境的3D細(xì)胞培養(yǎng)情況,但是作為首款能實現(xiàn)細(xì)胞長期培養(yǎng)過程中實時形態(tài)監(jiān)測的產(chǎn)品,CellASIC可以觀察細(xì)胞一些功能,分析一些基本表型,這將活細(xì)胞成像研究提升了到一個新的水平。
這一系統(tǒng)主要由三個方面結(jié)構(gòu)組成:微流控培養(yǎng)板,管路控制板,以及倒置顯微鏡(如下圖)。
之所以這一系統(tǒng)能實現(xiàn)活細(xì)胞成像,還原天然細(xì)胞狀態(tài),在于其能檢測細(xì)胞對預(yù)設(shè)的液流體系,溫度以及氣體環(huán)境變化的反應(yīng),由于不同的細(xì)胞類型對生長環(huán)境的要求不同,因此在細(xì)胞培養(yǎng)過程中需要實時監(jiān)控。
細(xì)胞新陳代謝過程中,營養(yǎng)物質(zhì),氧氣是通過血管運輸至器官和組織,并透過血管內(nèi)皮細(xì)胞層擴(kuò)散到細(xì)胞中去的,同時細(xì)胞代謝產(chǎn)生的廢物也由血管運出,CellASIC ONIX系統(tǒng)在體外模擬這一過程,利用灌流管道運送培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分和氣體,通過管壁上的間隙擴(kuò)散到細(xì)胞生長區(qū)域中,完成物質(zhì)交換,并且由于這一系統(tǒng)精確的氣體和溫度環(huán)境控制,達(dá)到活細(xì)胞長期的健康培養(yǎng)。
目前這一系統(tǒng)已經(jīng)用于多個方面,包括優(yōu)化細(xì)胞培養(yǎng)條件,觀察宿主與病原體之間的相互作用,神經(jīng)干細(xì)胞成像,細(xì)胞藥物反應(yīng)監(jiān)測等。比如觀察宿主與病原體之間的相互作用,CellASIC能為活細(xì)胞狀態(tài)下,宿主細(xì)胞與病原體相互作用提供一個長期穩(wěn)定的成像觀測平臺,相關(guān)研究人員曾在結(jié)腸癌細(xì)胞HT-29經(jīng)由工程菌株E.coli感染后,在M04S微流控板中進(jìn)行了100倍鏡持續(xù)活細(xì)胞狀態(tài)的觀測。
360度成像
美國Bioscan公司的BioFLECT是一種360度光學(xué)成像儀器,也是首款360度光學(xué)成像儀器,這種設(shè)備從真正意義上實現(xiàn)了斷層成像,全方位監(jiān)測光子,而且能在動物體內(nèi)實現(xiàn)熒光三維定位,不會出現(xiàn)失真。
其原理在于匯集了來自360度的光子,并采用組織間光子傳遞模型的最新3D影像重建技術(shù),從而能獲得目前最準(zhǔn)確的光學(xué)定量結(jié)果之一。FLECT系統(tǒng)的雷射激發(fā)樣品中的熒光物質(zhì),使得熒光物質(zhì)發(fā)射出不同波長的光,再經(jīng)由檢測器接收此光子,然后機(jī)體旋轉(zhuǎn)改變位置,再一次重復(fù)這一過程,直到掃描完全方位及全長。
來自哥倫比亞大學(xué)的Alex Klose教授曾參與這一儀器的軟件設(shè)計,他表示,“如果我采用目前市面上的光學(xué)成像系統(tǒng),那么就會出現(xiàn)成像只能從動物一側(cè)成像的問題”,“而這一儀器則能整體掃描整個動物,從而幫助我獲得光學(xué)成像重構(gòu)的更多信息。”
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