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原创 2017-04-20 谌 为 战略前沿技术 Nature：新的显微方法突破光学成像的颜色障碍 帮助复杂生物系统研究 来源：物理学家组织网 编译：远望智库技术预警中心 谌 为 哥伦比亚大学的研究人员在突破生物系统光学显微中所谓“颜色障碍”中取得显著进展，这一进展比现有技术更能让活体细胞和组织中的大量生物分子被广泛地和系统地标注和成像。这一进展在很多未来应用上具有潜力，包括帮助指导疾病的治疗方法的发展。 在发表于4月19日上的自然中的论文中，由化学副教授Wei Min领导的研究团队报道了一种具有提高的探测灵敏度的新的光学显微平台的进展。这项研究更进一步报道了创造新方法的细节，当使用新仪器时，我们可以同时对多达24种特殊的生物分子进行标注和成像，几乎是现有技术同时成像分子数的5倍。 Min说，在系统生物学时代，如何对细胞中大量的分子种类具有高灵敏度和特异性地同时成像仍然是光学显微中的巨大挑战。我们工作的独到之处在于我们让仪器和分子协同作用来克服这一长期存在的挑战。我们的平台具有理解复杂生物系统的能力，例如大量的人类细胞图、新陈代谢路径、脑中各种结构的功能、肿瘤的内部环境和大分子的组装。 所有现有观察活体细胞和组织的方法各具优点，但也都受基本物理原理所限，其中之一就是“色差”的存在。 例如，荧光显微敏感性极高，因此是生物实验室中最流行的技术。这种显微技术通过使用“荧光蛋白”，让科学家可以监测活体体统中的细胞活动。各种荧光蛋白都有一种靶结构，荧光蛋白将其用颜色标注。这5种荧光蛋白是蓝色荧光蛋白、青色荧光蛋白、绿色荧光蛋白、黄色荧光蛋白和红色荧光蛋白。 荧光显微尽管功能强大，但由于存在“色差”，限制了研究人员同时观察5种结构，因为所使用的荧光蛋白释放一系列难以区分的色调。 如果研究人员试图观察活体脑肿瘤组织样本中所有的上百种结构和不同的细胞种类，她将在一份组织样品中最多同时观测5个结构。如果研究人员想看到更多的结构，她将不得不清除组织的荧光标记，重新对新的结构进行标记。她将不得不重复这一过程。而在上述重复过程中，组织有可能会被损毁和遗失。 这项工作的第一作者，Min实验室博士后Lu Wei说，我们想同时看到它们所有，观察它们自己是如何运作的，以及它们之间是如何相互作用的。在生物环境中有很多部分，我们需要同时看到一切以真正理解这些过程。 除了荧光显微，拉曼显微技术也被用于观察活体细胞和组织结构，这项显微技术通过结构中特征化学键的振动来获取信号。传统的拉曼光谱会得到分辨度较高的颜色，但敏感度不够。因此，它需要强而集中的振动信号，而这种振动信号只能从数以万计的相同化学键的振动得到。如果从化学键发出的信号不够强，对相应结构的观测几乎是不可能的。 为了解决这一挑战，Min和他的团队，包括化学教授Virginia Cornish和神经系统科学教授Rafael Yuste，发明了一种现有显微技术的混合显微技术。 他们发展了一个新的平台，这个平台被称为电子预共振受激拉曼散射显微，将两种现有显微技术相结合，得到同时具有高度敏感性和选择性的显微技术。这种创新技术能够在选择性极高的同时识别具有极低浓度的结构，而不用像传统拉曼显微技术中需要成千上万的相同结构来获得这种结构存在的信息，这种新的仪器仅仅需要30个相同结构。该技术还采用了一种新的标记分子的方法，来与最新技术协同工作。放大的“调色板”分子扩大标签能力，允许多达24个结构同时成像，而不再限于5种荧光颜色。研究人员相信未来还有进一步提高的潜力。 该团队已经在脑组织中成功测试了这一平台。Wei说，我们可以看到不同的细胞一起工作，这是一个提供更大的颜色分辨平台的动力。我们现在可以在脑组织中同时点亮这些不同的结构。在未来，我们希望观看他们的实时功能。大脑组织不是唯一的这种技术被用于的研究领域，她补充道，不同的细胞类型有不同的功能，而科学家通常只研究一种细胞类型。通过使用更多颜色，我们现在可以开始研究多个细胞，同时观察它们在健康状况与疾病状态下如何相互作用。 Min说，新的平台有许多潜在的应用，有可能这项技术有朝一日可以用于肿瘤的治疗。如果我们能看到癌细胞中的结构是如何相互作用的，我们可以找出更精确地针对特定结构的方法。这一平台可以在理解由多部分构成的系统中发挥重要作用。 |
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