新的成像技術可以顯示整個細胞和組織內的納米級結構

自從350年前Robert Hooke**次在微生物學中描述細胞以來，顯微鏡在理解生命的規(guī)則中扮演了重要的角色。

然而，最小的可分辨特征--分辨率--受光的波動特性所限制的。這個有百年歷史的屏障限制了對細胞功能、相互作用和動力學的理解，尤其是在亞微米到納米尺度上。

超分辨率熒光顯微鏡克服了這一基本限制，提供了高達10倍的分辨率的改進，并允許科學家在前所未有的空間分辨率上可視化細胞和生物分子的內部工作。

然而，當觀察全細胞或組織樣本時，比如在癌癥或大腦研究中經常分析的樣本，這種分辨能力就會受到阻礙。從樣本內部的分子發(fā)出的光信號，以不同的速度通過細胞或組織結構的不同部分，導致畸變，這將影響圖像質量。

現(xiàn)在，普渡大學的研究人員開發(fā)了一種新技術來克服這一挑戰(zhàn)。

"我們的技術允許我們直接通過單分子產生的信號測量標本引起的波前畸變，包括細胞或組織。"普渡大學的工程學院生物醫(yī)學工程助理教授Huang Fang說道。"通過對這種扭曲的了解，我們可以精確定位單個分子的位置。我們獲得了細胞或組織體積內成千上萬個獨立分子的坐標，并利用這些坐標來揭示樣品成分的納米級結構。"

研究小組的這項技術最近發(fā)表在《自然方法》(Nature Methods)雜志上，題為"Three-dimensional nanoscopy of whole cells and tissues with in situ point spread function retrieval"。

"在三維超分辨率成像過程中，我們記錄了成千上萬的單個熒光分子的發(fā)射模式，"黃實驗室的博士后助理、該論文的**作者之一Fan Xu說。"這些發(fā)射模式可以被看作是在不同軸向位置的隨機觀測，這些觀測數據來自描述這些發(fā)射模式在不同深度的形狀的底層3D點擴展函數，我們的目標是檢索這些數據。我們的技術使用兩個步驟：分配和更新，以迭代檢索記錄的單個分子數據集的波前畸變和三維響應，其中包含在任意位置的分子的發(fā)射模式。"

普渡大學的技術允許在整個細胞和組織內精確到幾納米的范圍內找到生物分子的位置，從而以高分辨率和保真度分辨細胞和組織結構。

黃實驗室的博士后研究員、該論文的**作者之一Donghan Ma說："這一進展擴大了超分辨率顯微鏡的常規(guī)應用范圍，從靠近蓋玻片的選定細胞目標擴展到深入組織內部的細胞內和細胞外目標。這種新發(fā)現(xiàn)的可視化能力可以幫助我們更好地理解神經退行性疾病，比如阿爾茨海默氏癥，以及許多其他影響大腦和身體各個部位的疾病。"

Landreth說："這項技術進步是驚人的，它將從根本上改變我們評估老年癡呆癥病理特征的準確性。我們能夠看到越來越小的物體以及它們之間的相互作用，這有助于揭示我們以前沒有意識到的結構復雜性。"

Calve說，這項技術是再生療法的一個進步，有助于促進身體內部的修復。

Calve說："這一進展對于理解組織生物學和可視化結構變化是至關重要的。"

Chubykin的實驗室主要研究自閉癥和影響大腦的疾病，他說高分辨率成像技術為理解大腦中的障礙提供了一種新方法。

"這在功能和結構分析方面是一個巨大的突破，"Chubykin說。"我們可以更詳細地觀察大腦，甚至用基因工具標記特定的神經元，以供進一步研究。"