關于體內活細胞的三維影像的研究分析

先進的顯微鏡

+

透過大氣湍流獲取清晰天體視圖的技術

=

一個全新的活體顯微鏡！

它可以讓您看到生命系統(tǒng)內細胞的三維視頻，大開眼界。

以下視頻顯示了癌癥細胞（綠色）侵入血管（紫色）的過程。

圖像提供：T. Liu et al./《科學》雜志2018年刊

拍攝以上視頻的AO-LLS（自適應光學柵格光片）顯微鏡由物理學家Eric Betzig帶領的一組研究人員開發(fā)。它將柵格光片顯微鏡與自適應光學相結合——前者將一層薄光掃過活體細胞，后者則是望遠鏡的一種使用方法，能夠修正光穿過大氣層時的視覺障礙。

根據Engadget的報道，“這是科學家首次窺視活細胞的內部，并拍攝下了前所未有的三維影像細節(jié)，清晰地展示細胞的機能。憑借專用顯微鏡和新的光學技術，來自哈佛大學和霍華德·休斯醫(yī)學研究所的團隊以前所未有的分辨率捕捉到了斑馬魚免疫細胞相互作用的三維細節(jié)。這一技術使人們對細胞機能產生了新的認識，也將改變人們對細胞層面的生物體機能的認識?！?/p>

斑馬魚體內的細胞器形態(tài)和動力學。(A) 通過計算分離發(fā)育中的斑馬魚大腦中的細胞神經前體細胞。(B) (A)中顯示的特定細胞中的細胞器不斷變化的形態(tài)。(C) 斑馬魚胚胎眼睛中的MIP視圖。(D) 視頻中的六張圖像（如下所示）。(E) 眼睛和耳朵中細胞核體積與細胞總體積之間的關系。(F) 斑馬魚胚胎脊柱附近轉運高爾基氏體的不同形態(tài)。圖像提供：Betzig et al./《科學》雜志2018年刊

該項研究使用MATLAB和Image Processing Toolbox以三維方式對細胞及細胞結構進行分割、跟蹤和測量。研究團隊使用Image Processing Toolbox濾光鏡和形態(tài)函數整理各個細胞的分段并識別每個細胞的細胞核和其他特征。研究人員使用自定義MATLAB函數來跟蹤細胞結構。

活體細胞成像的兩個主要挑戰(zhàn)

AO-LLS顯微鏡克服了活組織細胞成像中的兩大難題。

第一個難題是照明方法：光線通常會比較明亮刺眼，可能會損傷科學家嘗試研究的細胞。

“生命尚未進化到可以抵御這種傷害的程度。如果你沒直接殺死細胞，你就總會充滿疑惑，‘我到底對這個可憐的小東西做了什么，我看到的真的是它平常的樣子嗎？’”，Betzig說道。

LLS極大地減少了細胞成像所需的光線量。LLS顯微鏡不是并不新奇，但是隨著光線深入多細胞系統(tǒng)內部，分辨率會降低。

Betzig告訴《自然》雜志，“過去無法深入到樣本中進行成像，因為光滲透到組織中越深，‘變形’或彎曲的越嚴重。因此，盡管它能夠對蓋片上的細胞進行成像，但卻無法使發(fā)育中的胚胎成像?，F在，這個限制已經消除了?！?/p>

但是又出現了第二個挑戰(zhàn)：科研人員需要考慮深入樣品進行細胞成像時出現的失真問題。

據《國家地理》雜志報道，“為幫助修正這一問題，Betzig借用了天文學家所用的自適應光學技術。對于地球上的望遠鏡，我們星球的大氣層同樣會使遠距離空間對象的圖像失真。自適應光學可測量該失真并進行修正，提供清晰、穩(wěn)定的星體、星系和其他宇宙對象的圖片?！?/p>

結果讓人驚嘆不已，科學家看到了自然狀態(tài)下的活細胞。該研究發(fā)表在《科學》雜志上并包含多個視頻，展示了細胞在自然環(huán)境中的機能活動。該研究采用的是斑馬魚胚胎中的細胞。

斑馬魚胚胎脊髓的內部。圖片提供：T. Liu et al./《科學》雜志2018年刊

顯微鏡

AO-LLS顯微鏡是一個比較復雜的裝置。據Betzig估計，顯微鏡的元件成本就要將近80萬美元，其中包含35個鏡頭、29個反光鏡、2個激光器、4個攝像頭和一個減震光學臺。

除了大量硬件外，AO-LLS還需要通過MATLAB和其他工具箱進行大量計算。在每個時步，細胞結構的變化都會被識別、跟蹤和測量。斑馬魚胚胎物理運動的計算結果也會被修正。