关于体内活细胞的三维影像的研究分析

先进的显微镜

+

透过大气湍流获取清晰天体视图的技术

=

一个全新的活体显微镜！

它可以让您看到生命系统内细胞的三维视频，大开眼界。

以下视频显示了癌症细胞（绿色）侵入血管（紫色）的过程。

图像提供：T. Liu et al./《科学》杂志2018年刊

拍摄以上视频的AO-LLS（自适应光学栅格光片）显微镜由物理学家Eric Betzig带领的一组研究人员开发。它将栅格光片显微镜与自适应光学相结合——前者将一层薄光扫过活体细胞，后者则是望远镜的一种使用方法，能够修正光穿过大气层时的视觉障碍。

根据Engadget的报道，“这是科学家首次窥视活细胞的内部，并拍摄下了前所未有的三维影像细节，清晰地展示细胞的机能。凭借专用显微镜和新的光学技术，来自哈佛大学和霍华德·休斯医学研究所的团队以前所未有的分辨率捕捉到了斑马鱼免疫细胞相互作用的三维细节。这一技术使人们对细胞机能产生了新的认识，也将改变人们对细胞层面的生物体机能的认识。”

斑马鱼体内的细胞器形态和动力学。(A) 通过计算分离发育中的斑马鱼大脑中的细胞神经前体细胞。(B) (A)中显示的特定细胞中的细胞器不断变化的形态。(C) 斑马鱼胚胎眼睛中的MIP视图。(D) 视频中的六张图像（如下所示）。(E) 眼睛和耳朵中细胞核体积与细胞总体积之间的关系。(F) 斑马鱼胚胎脊柱附近转运高尔基氏体的不同形态。图像提供：Betzig et al./《科学》杂志2018年刊

该项研究使用MATLAB和Image Processing Toolbox以三维方式对细胞及细胞结构进行分割、跟踪和测量。研究团队使用Image Processing Toolbox滤光镜和形态函数整理各个细胞的分段并识别每个细胞的细胞核和其他特征。研究人员使用自定义MATLAB函数来跟踪细胞结构。

活体细胞成像的两个主要挑战

AO-LLS显微镜克服了活组织细胞成像中的两大难题。

第一个难题是照明方法：光线通常会比较明亮刺眼，可能会损伤科学家尝试研究的细胞。

“生命尚未进化到可以抵御这种伤害的程度。如果你没直接杀死细胞，你就总会充满疑惑，‘我到底对这个可怜的小东西做了什么，我看到的真的是它平常的样子吗？’”，Betzig说道。

LLS极大地减少了细胞成像所需的光线量。LLS显微镜不是并不新奇，但是随着光线深入多细胞系统内部，分辨率会降低。

Betzig告诉《自然》杂志，“过去无法深入到样本中进行成像，因为光渗透到组织中越深，‘变形’或弯曲的越严重。因此，尽管它能够对盖片上的细胞进行成像，但却无法使发育中的胚胎成像。现在，这个限制已经消除了。”

但是又出现了第二个挑战：科研人员需要考虑深入样品进行细胞成像时出现的失真问题。

据《国家地理》杂志报道，“为帮助修正这一问题，Betzig借用了天文学家所用的自适应光学技术。对于地球上的望远镜，我们星球的大气层同样会使远距离空间对象的图像失真。自适应光学可测量该失真并进行修正，提供清晰、稳定的星体、星系和其他宇宙对象的图片。”

结果让人惊叹不已，科学家看到了自然状态下的活细胞。该研究发表在《科学》杂志上并包含多个视频，展示了细胞在自然环境中的机能活动。该研究采用的是斑马鱼胚胎中的细胞。

斑马鱼胚胎脊髓的内部。图片提供：T. Liu et al./《科学》杂志2018年刊

显微镜

AO-LLS显微镜是一个比较复杂的装置。据Betzig估计，显微镜的元件成本就要将近80万美元，其中包含35个镜头、29个反光镜、2个激光器、4个摄像头和一个减震光学台。

除了大量硬件外，AO-LLS还需要通过MATLAB和其他工具箱进行大量计算。在每个时步，细胞结构的变化都会被识别、跟踪和测量。斑马鱼胚胎物理运动的计算结果也会被修正。