打破色彩識(shí)別極限的光學(xué)顯微新技術(shù)
哥倫比亞大學(xué)的研究人員們研發(fā)出一種新型光學(xué)顯微鏡平臺(tái),叫做電子預(yù)共振激發(fā)拉曼散射顯微鏡(epr-SRS)。這種顯微鏡不但具有高靈敏性和選擇性,而且使得一次可成像的結(jié)構(gòu)從5種增至24種。 哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)的研究人員們?cè)谏锵到y(tǒng)成像領(lǐng)域取得重要進(jìn)展,該技術(shù)不僅使科學(xué)家們能夠在整個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)標(biāo)記和成像大量生物分子,加深對(duì)生物系統(tǒng)的理解,還在諸多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景,如尋找新療法以及疾病治療。 化學(xué)系Wei Min副教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì),研發(fā)出一種可以大幅增加檢測(cè)靈敏度的光學(xué)顯微鏡平臺(tái)。該研究成果于4月19日發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上。該研究介紹的這種新型儀器,不僅能夠觀察新分子形成的具體過程,還可以同時(shí)對(duì)24種不同的生物分子進(jìn)行標(biāo)記和成像,此數(shù)量大約是現(xiàn)有儀器標(biāo)記種類數(shù)的5倍。 “在系統(tǒng)生物學(xué)時(shí)代,如何使細(xì)胞內(nèi)多種分子同時(shí)成像,而不失靈敏度和特異性,始終是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。” Min介紹道。“我們工作的新穎和獨(dú)特之處是,使儀器和分子協(xié)同作用,來攻克這個(gè)存在已久的難題。這個(gè)平臺(tái)能改變我們對(duì)復(fù)雜生物系統(tǒng)的理解,此類系統(tǒng)有大規(guī)模的人類細(xì)胞地圖、代謝途徑、大腦中不同結(jié)構(gòu)的功能、腫瘤的內(nèi)環(huán)境和高分子自組裝等,以上所列只是復(fù)雜系統(tǒng)中的冰山一角。” 現(xiàn)有觀察活細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu)的方法,都有其優(yōu)點(diǎn)和基本的局限性,尤其是存在顏色數(shù)量限制的問題。 例如,熒光顯微鏡極其靈敏,是生物實(shí)驗(yàn)室中*常見的設(shè)備。這種顯微鏡使得科學(xué)家們能夠利用熒光蛋白(fluorescent proteins),來監(jiān)測(cè)活系統(tǒng)中的細(xì)胞生物過程。每種熒光蛋白都能與目標(biāo)結(jié)構(gòu)結(jié)合,將其標(biāo)記或染色。*多有5種熒光蛋白,分別為藍(lán)色熒光蛋白(BFP ,Blue Fluorescent Protein), 藍(lán)綠色熒光蛋白(ECFP ,Cyan Fluorescent Protein), 綠色熒光蛋白(GFP ,Green Fluorescent Protein),黃色熒光蛋白(mVenus ,Yellow Fluorescent Protein)和紅色熒光蛋白( DsRed ,Red Fluorescent Protein). 盡管熒光蛋白的優(yōu)勢(shì)明顯,但是它受限于顏色的數(shù)量,這使得研究人員一次*多只能看到5種結(jié)構(gòu)。因?yàn)闊晒獾鞍装l(fā)出的光譜中能夠被識(shí)別區(qū)分出的只有這五種顏色。 例如,研究人員在觀察腦腫瘤組織活樣本中的數(shù)百萬種結(jié)構(gòu)和不同類型的細(xì)胞時(shí),每次*多只能在一個(gè)組織中看到五種結(jié)構(gòu),如果想看的結(jié)構(gòu)多于五種,則需要先洗凈已被熒光標(biāo)記的組織,再重新標(biāo)記和觀察另外五種結(jié)構(gòu)。也就是說,研究人員每觀察五種結(jié)構(gòu),就需要重復(fù)一次上述操作。這不僅大大增加了工作量,在清洗過程中,還可能會(huì)丟失或損傷重要的組織。 “我們希望同時(shí)看到它們,因?yàn)橹挥羞@樣我們才能知道它們是如何獨(dú)立工作以及相互作用的,” Lu Wei介紹道,他是本篇論文的第一作者,同時(shí)也是Min實(shí)驗(yàn)室的博士后研究人員。“生物環(huán)境的組成成分很多,我們需要同時(shí)看到所有的一切,才能真正理解生命的過程。” 除了熒光顯微鏡,現(xiàn)在還有各種拉曼顯微技術(shù)(Raman microscopy techniques)來觀察活細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu),這種技術(shù)是通過使典型化學(xué)鍵發(fā)生明顯的振動(dòng)來檢測(cè)的。傳統(tǒng)的拉曼顯微鏡對(duì)顏色的區(qū)分度較高,這正是熒光顯微鏡所欠缺的,不過它的靈敏度較低。因此,它只能采集到高強(qiáng)度,集中的振動(dòng)信號(hào),而實(shí)現(xiàn)這種信號(hào)需要數(shù)百萬同種化學(xué)鍵。如果來自化學(xué)鍵的信號(hào)不夠強(qiáng),實(shí)現(xiàn)相關(guān)結(jié)構(gòu)的可視化就幾乎不可能。 Min和包括化學(xué)系教授Virginia Cornish,神經(jīng)科學(xué)系教授Rafael Yuste在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì),試圖結(jié)合這兩種顯微技術(shù),來解決這個(gè)難題。 他們研發(fā)出的新平臺(tái)叫做電子預(yù)共振激發(fā)拉曼散射顯微鏡(electronic pre-resonance stimulated Raman scattering (epr-SRS) microscopy)。這種顯微鏡結(jié)合了上述兩種顯微鏡的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了高靈敏性和選擇性。這種新型檢測(cè)技術(shù),不但具有極高的特異性,而且所需的檢測(cè)濃度較低。傳統(tǒng)的拉曼顯微鏡檢測(cè)某種結(jié)構(gòu),需要數(shù)百萬個(gè)同種化學(xué)鍵,而這種新型儀器僅需要30個(gè)。此外,研究團(tuán)隊(duì)還同時(shí)使用了自己設(shè)計(jì)的一系列標(biāo)記分子和**技術(shù),增強(qiáng)了“分子調(diào)色板”的標(biāo)記能力,使得一次可成像的結(jié)構(gòu)數(shù)量擴(kuò)大到24個(gè),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了熒光顯微鏡的5個(gè)。研究人員們相信,該技術(shù)的標(biāo)記和成像能力還有很大的提升空間。 研究團(tuán)隊(duì)還在腦組織上成功地測(cè)試了epr-SRS平臺(tái)。“我們能看到不同的細(xì)胞在一起工作”, Wei 描述到。“而這正得益于大型調(diào)色板。現(xiàn)在,我們能夠同時(shí)對(duì)腦組織中的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行染色。我們希望將來能夠?qū)崟r(shí)地觀察到它們的活動(dòng)。”研究人員們認(rèn)為該技術(shù)不僅僅可應(yīng)用于腦組織。她補(bǔ)充道,“不同類型的細(xì)胞,功能也不同。科學(xué)家們通常一次只研究一種細(xì)胞,而更多的顏色使得我們能夠同時(shí)研究多種細(xì)胞,觀察到細(xì)胞在健康和疾病的狀態(tài)下是如何獨(dú)立工作以及相互作用的。” 這個(gè)新平臺(tái)還有很多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。Min補(bǔ)充道,“將來,這項(xiàng)技術(shù)可能被用于治療現(xiàn)有藥物難以殺死的腫瘤。我們?nèi)绻芸吹桨┘?xì)胞中結(jié)構(gòu)的相互作用,就能更精確地尋找到達(dá)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的路徑。這個(gè)平臺(tái)很有可能會(huì)顛覆我們對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的理解。”