徠卡共聚焦課堂第七講：活細(xì)胞成像技術(shù)知識(shí)點(diǎn)

可視化生命分子動(dòng)力學(xué)
理解復(fù)雜和/或快速的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)是探索生物過(guò)程的重要一步。因此，當(dāng)今的生命科學(xué)研究越來(lái)越關(guān)注實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程，如細(xì)胞遷移，細(xì)胞、器官或整個(gè)動(dòng)物的形態(tài)變化以及活體標(biāo)本的實(shí)時(shí)生理（例如細(xì)胞內(nèi)離子組分的變化）事件。解決這些挑戰(zhàn)性需求的一種方式是采用被統(tǒng)稱(chēng)為活細(xì)胞成像的光學(xué)方法?；罴?xì)胞成像可研究活細(xì)胞的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而非提供細(xì)胞當(dāng)前狀態(tài)的“快照"——它把快照變成了電影?；罴?xì)胞成像可提供單個(gè)細(xì)胞、細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)（原位）甚至整個(gè)生物體（體內(nèi)）中動(dòng)態(tài)事件的空間和時(shí)間信息。這些特點(diǎn)讓活細(xì)胞成像成為解決細(xì)胞生物學(xué)、癌癥研究、發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)問(wèn)題的必要技術(shù)。
近年來(lái)，電子學(xué)、光學(xué)和分子生物學(xué)都取得了重大進(jìn)步，科學(xué)家們可以很容易地進(jìn)行活細(xì)胞成像。

 
 
用于活細(xì)胞成像的方法
顯微技術(shù)在活細(xì)胞成像方面的應(yīng)用也非常廣泛。通常，使用復(fù)合顯微鏡和對(duì)比方法（例如相差和微分干涉相差（DIC））隨著時(shí)間觀察細(xì)胞的生長(zhǎng)，細(xì)胞聚集或細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。此外，通常使用立體顯微鏡或宏觀鏡進(jìn)行較大樣本（例如斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育）的延時(shí)成像。在過(guò)去數(shù)十年中，先進(jìn)熒光技術(shù)變得越來(lái)越重要。隨著共聚焦顯微鏡應(yīng)用的迅速增加，生物研究的視角已由平面轉(zhuǎn)向三維。以下是一些常用技術(shù)的簡(jiǎn)要概述。
 
離子成像——觀察離子濃度的變化
一種常用的方法是使用熒光染料或特別設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)來(lái)改變其在鈣結(jié)合時(shí)的發(fā)射行為的離子成像（鈣、氯、鎂）。這使得研究人員可以觀察到細(xì)胞離子濃度的動(dòng)態(tài)變化。由于細(xì)胞胞質(zhì)溶膠中的離子組成決定了細(xì)胞的很多重要功能，如神經(jīng)元的興奮性、基因轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)（僅舉幾例），細(xì)胞內(nèi)離子在空間和時(shí)間上的調(diào)節(jié)是生物學(xué)研究的主要興趣。此外，使用特殊的熒光染料可以對(duì)細(xì)胞內(nèi)的pH值或電壓進(jìn)行成像。一種用來(lái)對(duì)離子水平、pH值或電壓變化進(jìn)行成像的特殊技術(shù)是比率成像法。這些方法能夠精確確定細(xì)胞內(nèi)鈣濃度等信息，而非像非比率方法那樣監(jiān)測(cè)相對(duì)變化。
 
FRET – 量化蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用
要檢測(cè)動(dòng)態(tài)蛋白質(zhì)相互作用，可以在活細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中對(duì)FRET（熒光共振能量轉(zhuǎn)移）和BRET（生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移）事件進(jìn)行成像。FRET是量化分子動(dòng)力學(xué)的有利工具，如蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用、蛋白質(zhì)-DNA相互作用和蛋白質(zhì)構(gòu)象變化等。FRET成像通常使用GFP（綠色熒光蛋白）的衍生物，尤其是CFP和YFP（分別為青色和黃色熒光蛋白），它們各自使用分子生物學(xué)方法連接到感興趣的目的蛋白質(zhì)上。然后用熒光激發(fā)CFP分子。一旦目的蛋白質(zhì)在空間上接近(<20 nm)，CFP將作為供體并以光的形式發(fā)射能量轉(zhuǎn)移給作為受體的YFP。研究人員將觀察到從CFP發(fā)出的藍(lán)色熒光轉(zhuǎn)變?yōu)閺腨FP發(fā)出的黃色熒光。使用BRET時(shí)，供體是生物發(fā)光分子（例如熒光素酶衍生物），與FRET一樣，GFP衍生物作為受體。

 
圖1：擬南芥的共聚焦活細(xì)胞圖像；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：GFP標(biāo)記為綠色，自發(fā)熒光葉綠體為紅色，透射光為藍(lán)色?；谶@樣的圖像，可以完成FRET或FRAP等分析。
 
FRAP–監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)和囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)
光漂白后熒光恢復(fù)(FRAP)是一種常用的監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)或囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的方法。熒光蛋白（通常是GFP）附著在目的蛋白質(zhì)上（即要監(jiān)測(cè)此蛋白質(zhì)的運(yùn)動(dòng)）。通常情況下，整個(gè)細(xì)胞最初發(fā)出熒光，因?yàn)檎麄€(gè)細(xì)胞中可能含有豐富的蛋白質(zhì)。然后細(xì)胞的某個(gè)區(qū)域，通常是神經(jīng)元細(xì)胞中的細(xì)胞突起，如軸突或樹(shù)突，暴露在高強(qiáng)度的光下（通常是激光），該特定區(qū)域的熒光被破壞（漂白）。隨著目的蛋白質(zhì)的移動(dòng)，來(lái)自細(xì)胞其他區(qū)域的蛋白質(zhì)會(huì)以一定的速度重新侵入漂白區(qū)域，然后漂白區(qū)域的熒光恢復(fù)。這能讓研究人員深入了解胞內(nèi)運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)。
 
TIRF–觀察靠近細(xì)胞膜的生物進(jìn)程
TIRF（全內(nèi)反射）顯微鏡是一種特殊技術(shù)，用于觀察位于或靠近細(xì)胞質(zhì)膜的事件。TIRF顯微鏡使用僅穿透細(xì)胞60-250 nm的瞬逝場(chǎng)進(jìn)行熒光染料激發(fā)，可提供出色的z分辨率，從而能對(duì)質(zhì)膜中或附近發(fā)生的事件進(jìn)行成像（例如分子運(yùn)輸至質(zhì)膜），而不會(huì)被細(xì)胞內(nèi)分子發(fā)出的熒光所掩蓋。
 
TIRF圖像：靠近膜的Galectin-3（半乳糖凝集素3）囊泡沿肌動(dòng)蛋白絲的運(yùn)輸。

 
圖2A：落射熒光概覽圖像，

 
圖2B：TIRF概覽圖像，框選部分如C所示，

 
圖2C：TIRF截面的時(shí)間序列；時(shí)間以秒為單位?？拷ぃ^）的Galectin-3囊泡（用YFP標(biāo)記）首先沿著肌動(dòng)蛋白絲（從底部向上）運(yùn)輸，轉(zhuǎn)移到另一條肌動(dòng)蛋白絲（88秒），向左移動(dòng)（109秒），再向右運(yùn)輸，再次轉(zhuǎn)換肌動(dòng)蛋白絲，然后向上運(yùn)輸（246秒）。
YFP：紅色；CFP：綠色；概覽圖像的標(biāo)尺：20 µm；截面：6 µm；TIRF穿透深度：110 nm。由德國(guó)馬爾堡大學(xué)的Ralf Jacob提供
 
光活化——監(jiān)測(cè)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)
最近開(kāi)發(fā)的一種被稱(chēng)為光活化的方法能夠選擇性地標(biāo)記細(xì)胞或整個(gè)生物體內(nèi)的特定區(qū)域或感興趣區(qū)域。進(jìn)行光活化時(shí)，使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的染料或熒光蛋白，如光活化綠色熒光蛋白(paGFP)或Kaede。這些熒光團(tuán)在正常狀態(tài)下不發(fā)熒光。但在用特定波長(zhǎng)的光照射后，它們可以像傳統(tǒng)熒光團(tuán)一樣被激活，發(fā)出熒光。在很多情況下，將這些蛋白質(zhì)與某些目的蛋白質(zhì)進(jìn)行基因融合，可以監(jiān)測(cè)其表達(dá)或轉(zhuǎn)運(yùn)。然后可以應(yīng)用FRAP或粒子跟蹤等方法來(lái)進(jìn)一步研究目的蛋白質(zhì)。
 
MPE–深入研究進(jìn)程
在細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)代生物學(xué)研究需要真正的體內(nèi)研究來(lái)補(bǔ)充“類(lèi)似體內(nèi)"研究。但很難研究像老鼠這樣的生物體內(nèi)發(fā)生的過(guò)程。多光子激發(fā)(MPE)顯微鏡能夠更深入地穿透組織，因?yàn)榕c用于單光子激發(fā)的短波長(zhǎng)光相比，近紅外激發(fā)光具有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，散射更少。MPE技術(shù)的非線性特性將光漂白和光毒性限制在焦點(diǎn)區(qū)域。這對(duì)長(zhǎng)期研究非常有益，因?yàn)闊晒獾鞍缀蜕矬w都受到這些問(wèn)題的困擾。據(jù)報(bào)告，使用合適的標(biāo)本和顯微鏡設(shè)置，成像深度可以深入組織中數(shù)毫米。激發(fā)的精確定位使其也適用于光子操縱。該方法在神經(jīng)生物學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。
 
STED——納米級(jí)的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)研究
受激發(fā)射損耗(STED)顯微鏡使科學(xué)家能夠研究超出光學(xué)分辨率極限的結(jié)構(gòu)。該技術(shù)利用熒光染料的特性，受激發(fā)射，以消除可檢測(cè)的信號(hào)。目前已成功成像50-70 nm的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)。提高分辨率對(duì)于研究小的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)非常重要。尤其是對(duì)于想研究共定位事件的人來(lái)說(shuō)，提高分辨率可以產(chǎn)生更真實(shí)的結(jié)果。與其他超分辨率技術(shù)相比，STED的隨機(jī)獨(dú)立性能夠?qū)崿F(xiàn)極為快速的成像。已實(shí)現(xiàn)視頻速率STED采集，可以實(shí)時(shí)研究細(xì)胞動(dòng)力學(xué)。

 
圖3：使用snap-tag技術(shù)的STED活細(xì)胞成像：Vero細(xì)胞，結(jié)構(gòu)：EB3，瞬時(shí)轉(zhuǎn)染；標(biāo)簽：Oregon Green 488。
 
FLIM–活細(xì)胞的空間測(cè)量
熒光壽命成像的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)不依賴(lài)于信號(hào)強(qiáng)度。因此不受光漂白和濃度變化等常見(jiàn)偽影的影響。使用時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)，通過(guò)單分子檢測(cè)數(shù)據(jù)重建FLIM圖像?？梢杂涗浐头治鰜喖{秒熒光壽命的最小變化。該方法可用于研究導(dǎo)致熒光壽命改變的任何類(lèi)型的細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)環(huán)境改變?；贔LIM的FRET分析對(duì)發(fā)射強(qiáng)度不敏感，從而提高了定量數(shù)據(jù)的精度。
 
CARS和SRS – 使用振動(dòng)對(duì)比的無(wú)標(biāo)記方法
幾乎所有的活細(xì)胞熒光成像方法都基于熒光蛋白的基因表達(dá)。這涉及到大量的技術(shù)工作和高昂的費(fèi)用。此外，外部基因的表達(dá)可能會(huì)改變微環(huán)境，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)與實(shí)際生理學(xué)情況的差異。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)顯微鏡和受激拉曼散射(SRS)顯微鏡是不依賴(lài)于熒光染料的非線性共聚焦方法。這些無(wú)標(biāo)記方法可對(duì)樣品中特定化學(xué)鍵的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行成像。生物體中特定化學(xué)鍵的積累，例如軸突周?chē)枨手械闹|(zhì)，可以在無(wú)需染色的情況下以高分辨率和出色的信噪比質(zhì)量進(jìn)行成像。
 
未來(lái)屬于定量分析
生物學(xué)研究已經(jīng)脫離了描述性研究的時(shí)代，進(jìn)入了定量分析的時(shí)代。新的活細(xì)胞成像技術(shù)在空間和時(shí)間上都朝著分辨率更高的方向發(fā)展。目前的技術(shù)發(fā)展主要是在納米范圍內(nèi)對(duì)單個(gè)分子和短至幾皮秒的分子反應(yīng)進(jìn)行定量研究。

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