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一种新型的超高分辨率荧光显微镜技术——活细胞超微结构的超高速成像正在给生物现象代入一种新的视角
时间:2017-05-26

在与日本理化研究所(Quantitative Biology Center,日本)的合作项目中,奥林巴斯公司(董事长:Hiroyuki Sasa)通过其科学统事业统括本部开发了一种新型超高分辨率荧光显微镜技术,这种技术可以观察活细胞的超微结构,并大幅度减少了图像采集时间。

      在进行显微观察时,对空间分辨率有一定的限制,* 1,例如,精细地观察物体的能力,一般光学显微镜的空间分辨率通常约200nm。* 2 超高分辨率显微镜已经突破这一极限,可以观察更纤细的结构。2014年诺贝尔化学奖授予了超高分辨率荧光显微镜技术的研究者,他们突破性的发明使得在生命科学领域取得了重大研究进展。

       我们的新技术获得了约100nm的空间分辨率,相当结构照明显微技术(SIM)* 3,超高分辨率荧光显微镜技术之一,时间分辨率为1/100秒。* 4 新技术允许对细胞器进行快速动态成像* 5,这些细胞器在活细胞中非常活跃。这一壮举是传统超高分辨率荧光显微镜技术一直难以实现的,因为采集图像所需的时间范围从1秒到几分钟。在超高分辨率荧光显微镜领域的这一重大飞跃预计将大幅度拓宽我们对生物现象的理解力。

        这种技术可以在传统共焦显微镜基础上改造* 6,且比其他现有超高分辨率荧光显微镜易于安装。

关于此项技术的文章在线发布于2月25日,印刷版本将刊登于5月1日出版的"Molecular Biology of the Cell," the journal of the American Society for Cell Biology.

注:

* 1: 能够区分两个点或两行的能力。值越小表明空间分辨率越高,能够进行更细微结构的观察
* 2: 一个纳米(纳米)相当于百万分之一毫米
* 3: 这种方法通过分析9幅至25幅图像的moiré干涉条纹,比传统显微镜空间分辨率提高2倍
* 4: 在观察过程中使图像达到可识别变化的最短时间。值越小表明时间分辨率越高,使高速变化的图像可以辨别出来。
* 5: 亚细胞复合物具有特定的结构和功能,如内质网、高尔基体和线粒体
* 6: 一种显微镜, 它能够通过一束光激发标本进行三维成像,并阻止非焦点的荧光。

科学统括事业本部:
       奥林巴斯科学统括事业本部的主要产品包括光学显微镜、工业内镜和无损检测设备。奥林巴斯致力于医疗保健、生命科学和工业领域的研究与开发,改进生产基地的质量控制,并通过检查飞机和大型工业厂房提高社会基础设施的安全性和可靠性。

(参考资料:研究概述) 

<背景>: 
      在19世纪,德国物理学家Ernst Abbe和其他科学家表明, 光学显微镜的空间分辨率受限于所使用光束波长的一半 (衍射极限),采用可见光显微镜可观察的最小的对象为200nm,这是一个亘古不变的原理。然而,从2000年开始,各种超高分辨率荧光显微镜被研发出来,其目的是获得超出衍射极限的空间分辨率。这就产生了100nm的空间分辨率或达到更小的空间分辨率。然而,这些超高分辨率显微技术需要较长的时间成像,不适合活细胞成像。因此,在这项研究中我们专注于开发1/100秒时间分辨率的显微镜,使活细胞成像成为可能。

<技术>:
      此项分析侧重于结构型照明显微镜(SIM),其为传统超高分辨率荧光显微镜技术之一。SIM成像和共焦显微镜成像存在理论相似之处。我们使用盘式扫描单元(DSU)研究这个问题,发现如果改造转盘上的条纹模式可以获得与SIM图像质量相同的超高分辨率图像。我们因此命名为“转盘式超高分辨率显微镜(SDSRM)”(图1)。

接下来, 为了验证理论,使用荧光微球进行了空间分辨率的测试。与理论计算一致,可以获得约为100纳米的空间分辨率 (图2)。此外,我们通过改变相机和照明光源可以获得更高速的成像,以最大1/100秒的光闸速度(时间分辨率)成功地观察到活细胞的超微结构,具有100纳米的空间分辨率。

图1. 转盘式超高分辨率显微镜的原理图
左: 光路示意图。照明光(用蓝色表示)和标本发出的光(用绿色表示)经过转盘上的同一位置,创造出共焦的效果。 
右: 转盘上的条纹图案示意图。通过制作比传统条纹图案更加精细的条纹图案实现超高分辨率观察。

图2. 使用荧光微球进行原理证明实验
左: 使用传统荧光显微镜获得的图像
右: 使用转盘式超高分辨率显微镜获得的图像
(比例尺:500nm)

<结果>:
转盘式超高分辨率显微镜技术的发展已经使在活细胞中观察超微结构的动态变化成为可能。这种技术可以通过改造传统共聚焦显微镜实现,且其光学部件的搭建远易于现有的其它超高分辨率技术。转盘式超高分辨率显微技术原理的进一步发展应该允许其应用于其它共聚焦显微技术。

文章中的信息
标题: 转盘式共聚焦显微镜光学系统进行超快速超高分辨率荧光成像
作者:  Shinichi Hayashi and Yasushi Okada
期刊: Molecular Biology of the Cell
DOI: 10.1091/mbc.E14-08-1287 印刷前在线发表

 转载自奥林巴斯

 

 

 

 

 



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