斯坦福新显微镜以前所未有的方式看清活细胞

斯坦福大学的研究人员开发出一种强大的新型成像系统，能够以极高的清晰度揭示活细胞的内部运作。通过将两种先进的显微技术结合起来，该装置实现了约120纳米的分辨率，为无需荧光标记的方法达到了前所未有的细节水平。

该技术被称为干涉成像扫描显微镜（iISM），能够同时观察多个细胞结构在运动、变化以及对周围环境作出反应时的状态。科学家还可以研究细胞遇到药物或病原体时发生了什么，从而有可能揭示过去难以研究的生物过程。

这一突破发表于《自然》旗下期刊《光：科学与应用》，可能推动癌症研究、药物开发、传染病研究以及对植物与微生物如何相互作用的研究进展。

“这种新显微镜提供了一个令人惊叹的新视角，让你可以看到细胞内微小结构和机器运动、变化并相互作用，而无需为了观察它们添加荧光。”资深作者、斯坦福大学人文与科学学院哈里·S·莫舍化学讲席教授W.E.莫尔纳说，“这是对这些驱动我们生命的复杂小小细胞盒子的精彩观察。”

无需荧光标记观察活细胞内部
新显微镜最重要的优势之一，是无需依赖荧光标记就能显示细胞活动。

许多现有显微技术使用荧光物质来凸显细胞内特定结构。虽然这些方法深刻改变了生物研究，但也有局限。研究人员通常一次只能标记少数结构，因此很难观察整个细胞中不同组件如何相互作用。

荧光信号也会在观察过程中因光漂白而减弱。此外，引入标记可能颇具挑战，而且某些标记可能会改变科学家想要研究的结构本身的行为。

斯坦福的系统通过不使用荧光标记来对细胞成像，从而避开这些问题。研究人员可以长时间追踪大量细胞组件，并在更自然的环境中观察它们的活动。

另一个优势是，与能产生高对比度图像的类似无标记方法相比，iISM所需照明功率显著更低。更低的光照暴露可减少光损伤的可能性；所谓光损伤是指用于成像的光伤害活细胞或干扰其正常功能。

虽然其他专用显微镜可以取得更高分辨率，但iISM在精细成像、温和光照和长时间观察之间实现了良好平衡，因此对研究活的生物系统特别有价值。

研究人员强调，这项技术旨在补充而非取代荧光显微技术。第一作者、莫尔纳实验室博士后米歇尔·库佩尔斯解释说，结合不同成像方法的优势，有助于科学家回答以前难以回答的问题。

“每种方法都有优缺点，我们相信未来会采用互补的方式。”库佩尔斯说，“如果利用荧光技术的分子特异性优势，以及iISM在无标记背景和动态过程方面的优势，我们就能真正开始处理过去难以解决的问题。”

新显微镜如何实现前所未有的细节
这一突破来自两种显微技术的结合，它们各自具有优势。

莫尔纳因对超分辨荧光显微技术的开创性贡献获得2014年诺贝尔化学奖。他邀请库佩尔斯到斯坦福，是因为她博士研究涉及一种称为干涉散射显微术的技术。

这种方法依赖光的常见特性：散射。

光遇到微小颗粒时会改变方向。同样的基本现象解释了天空为什么是蓝色：当阳光穿过地球大气层时，分子、灰尘和水滴会散射不同波长的光。较短的蓝光波长比较长的红光波长散射更强，于是我们看到头顶呈现蓝色。

干涉散射显微术在更小的尺度上利用这一现象。

一束激光照射细胞，使细胞内微小结构散射入射光。由于散射信号极弱，会利用第二束激光通过干涉来放大信号，使显微镜能够观察到原本难以看见的结构。

斯坦福团队将这一方法与改进自先进共聚焦显微镜的技术结合起来，进一步提升了系统性能。

传统共聚焦显微镜使用称为针孔的小开口和单个探测器，以分离来自特定区域的光。更先进的版本将这种配置替换为基于相机的探测器阵列，能够收集同一区域的多个视图。

研究人员将探测器阵列整合进新显微镜，使其比围绕针孔和单个探测器构建的常规系统收集更多光。

数百个视角合成更清晰图像
收集多个视角的优势类似人类视觉。

人用两只眼睛从略微不同的位置观察世界，帮助大脑区分近处物体和较远处物体。斯坦福显微镜使用类似原理，但不只依赖两个视角，其探测器阵列可收集几十到几百个视角。

研究人员开发了计算方法，将这些测量结果结合，生成清晰度、对比度、深度信息和精度更好的图像。

通过将干涉散射显微术与先进探测器阵列的优势结合起来，团队制造出一种能够分辨约120纳米微小结构的仪器。

作为参考，1纳米是十亿分之一米。在这一尺度上，研究人员可以检查极其微小的细胞结构，并追踪它们的运动和相互作用。

关键在于，该显微镜在实现这种分辨率时没有牺牲成像速度，也不需要高强度激光照射。因此，科学家可以观察活细胞更长时间，同时尽量减少干扰或损伤细胞的风险。

从抗癌药到疟疾：研究新可能
莫尔纳和库佩尔斯仍在继续改进仪器，目标最终使其能够被许多生物学领域的科学家使用。

目前已有三个与其他斯坦福研究团队的合作正在进行或处于开发阶段，展示了这项技术可研究的问题范围。

一个项目使用这台显微镜观察植物细胞、真菌和细菌之间的实时相互作用。通过实时观察这些生物互动，研究人员希望更清楚地理解植物与微生物之间的复杂关系。

另一项合作聚焦癌症治疗。科学家用iISM研究抗癌药物如何进入细胞，这可能为药物与其作用靶点之间的相互作用提供宝贵信息。

第三个项目仍处于规划阶段，将研究红细胞在疟疾感染影响下如何改变形状。观察这些物理变化可能有助于理解这种疾病如何影响血细胞。

这些应用说明，研究人员为什么认为这种显微镜可以在众多科学领域成为有用工具，而不只服务于狭小的研究范围。

“这不是一个狭窄领域的技术。”库佩尔斯说，“它具有广泛应用，我们希望生命科学界能够从这项技术中受益，从而产生许多新发现。”