Science發表：癌細胞移動神經發育新技術都能“看得到”

因“開發出超分辨率熒光顯微鏡”獲得2014年諾貝爾化學獎的Eric Betzig博士又取得了一項突破成果。由他帶領的團隊最新開發出了一款結合2種成像技術的顯微鏡，可使研究人員觀察活細胞前所未有的3D細節，包括癌細胞移動、脊髓神經回路連接以及免疫細胞在斑馬魚內耳中游走等。

在斑馬魚胚胎的脊髓中，新的神經元以不同的顏色發光，讓科學家能夠追蹤神經回路的發育Credit: T. Liu et al./Science 2018

4月20日，這項成果以 “Observing the cell in its native state: Imaging subcellular dynamics in multicellular organisms”為題發表在Science雜志上。作者們認為，新技術解決了在活體組織中進行細胞成像這一長期存在的問題，為生物學研究提供了令人振奮的新視角。

圖片來源：Science

克服傳統顯微鏡的障礙

為了獲得清晰的圖像，傳統的顯微鏡通常會將他們的實驗對象隔離在一個載玻片上，或者用潛在的有害數量的光（harmful amounts of light）來照射它們。但Betzig博士認為，觀察載玻片上被隔離的細胞就好像到動物園去研究獅子的行為一樣（并不能看到細胞在原始環境中的真實行為）。

An immune cell migrates through a zebrafish's inner ear while scooping up particles of sugar (blue) along the way. Credit: T. Liu et al./Science 2018（視頻地址：https://v.qq.com/x/page/a0633e8uelf.html）

為了克服這些障礙，Betzig博士和他的團隊結合了兩個他們于2014年首次報道的顯微鏡技術。現在，利用這一新裝置，研究人員能夠在細胞所處的自然環境下觀察它們（而不是將它們分離、獨立出來再觀察它們）。上面的視頻展示了在斑馬魚胚胎內耳中移動的一個免疫細胞。

Imaging cellular diversity in a developing zebrafish（圖片來源：Science）

新技術的兩大改進

第一步：讓細胞“活著”

為了制作這個免疫細胞視頻，Betzig博士及其同事避開了傳統顯微鏡使用的強烈光線，因為這種光線會破壞或殺死活細胞。相反，研究小組使用了一種被稱為“lattice light-sheet microscopy”的技術，該技術能夠使一層薄光（a thin sheet of light）以非常高的速度不斷地穿過活體組織，從而將細胞損傷降至最低水平，同時獲得一系列2D圖像，構建亞細胞動力學的高分辨3D電影（building a high-resolution 3-D movie of subcellular dynamics）。

第二步：使細胞周圍環境不被“扭曲”

同時，為了使細胞的周圍環境不被“扭曲”，研究人員使用了自適應光學（adaptive optics，天文學家使用的一種成像技術）。該技術能夠幫助解決“扭曲”問題，并校正圖像。

圖片來源： Howard Hughes Medical Institute

Betzig博士說：“如果沒有自適應光學，所有這些細節都很難看到。”在他看來，自適應光學是當今顯微鏡研究中最重要的領域之一，而擅長3D活體成像的“lattice light sheet microscope”則是展現其力量的完美平臺。同時，他還指出，目前自適應光學還沒有真正“起飛”，因為這一技術復雜且昂貴，但是未來10年內，世界各地的生物學家都將參與其中。

前所未有的3D分辨率

借助結合了“lattice light-sheet microscopy”和“自適應光學”的這一新顯微鏡技術，研究人員現在能夠窺視生物體的內部，以前所未有的3D分辨率觀察細胞間的相互作用。以下是9張酷炫的動圖：

人類干細胞衍生類器官中的內吞作用

早期斑馬魚大腦中的細胞器動力學

斑馬魚眼睛中的細胞器動力學

網格蛋白介導的體內內吞作用

斑馬魚眼睛中膜動力學

脊髓神經回路發育的體內成像

網格蛋白在肌肉纖維中的定位

對大體積成像進行“Tiled Adaptive Optics”校正

斑馬魚異種移植模型中癌細胞的遷移

下一步計劃

最后，值得一提的是，這一裝置目前需要一個3米長的桌子，Betzig博士等正致力于讓其更小巧、更人性化。“評判一個顯微鏡價值的唯一標準是，有多少人能使用它，以及人們用它所發現的東西的重要性。”他說。最終，Betzig博士希望這一新技術能夠被商業化，讓自適應光學成為主流。

參考資料：

Cutting-edge microscope spies on living cells inside the body

New Microscope Captures Detailed 3-D Movies of Cells Deep Within Living Systems