醫(yī)療成像技術(shù)進入超高分辨率熒光顯微時代

 

體內(nèi)成像，也就是活體成像技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)可以稱為活體熒光成像了，采用熒光成像具有操作簡單，結(jié)果直觀，靈敏度高等優(yōu)點，但雖然如此，活體熒光成像依然存在許多問題，首先就是信號水平不高，假陰性較多的問題，2008年，也就是細(xì)胞成像技術(shù)被《Nature Methods》評為年度技術(shù)的那一年，熒光顯微技術(shù)煥發(fā)出了全新的光彩，超高分辨率熒光顯微技術(shù)誕生了。

 

傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡受限于光的波長，對于200nm以下的小東西只能搖頭興嘆。雖然電子顯微鏡可以達到納米級的分辨率，但通電的結(jié)果容易造成樣品的破壞，因此能觀測的樣本也相當(dāng)有限。分子生物學(xué)家雖然可以做到把若干想觀察的蛋白質(zhì)貼上熒光卷標(biāo)，但這些蛋白質(zhì)還是經(jīng)常擠在一塊，在顯微鏡下分不出誰是誰。

 

之后幾年高分辨率熒光顯微鏡跨越了一大步，使得研究者可以從納米級觀測細(xì)胞突起的伸展，從而宣告200—750納米大小范圍的模糊團塊的時代結(jié)束了。比如利用光敏定位顯微鏡：PALM可以用來觀察納米級生物，相較于電子顯微鏡有更清晰的對比度，如果給不同蛋白接上不同的熒光標(biāo)記，就能用來進一步研究蛋白質(zhì)間的相互作用。

 

2006年華裔科學(xué)家莊小威研究組開發(fā)了一種隨機光學(xué)重建顯微鏡（stochastic optical reconstruction microscopy, STORM）的技術(shù)。使用STORM可以以20nm的分辨率看到DNA分子和DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體分子。這一方法基于光子可控開關(guān)的熒光探針和質(zhì)心定位原理，在雙激光激發(fā)下熒光探針隨機發(fā)光，通過分子定位和分子位置重疊重構(gòu)形成超高分辨率的圖像，其空間分辨率目前可達20nm。STORM雖然可以提供更高的空間分辨率，但成像時間往往需要幾分鐘，同時還不能滿足活體實時可視的成像的需要，發(fā)展空間很大。

 

與此同時，另外兩個研究組也報告了新方法提高了分辨率，他們的技術(shù)稱為熒光激活定位顯微鏡技術(shù)，簡稱FPALM。2007年，研究人員證實FPALM可以用來檢測脂質(zhì)筏中聚集的蛋白。

 

自此之后，熒光顯微技術(shù)飛速發(fā)展，研究人員首先將PALM和單粒子失蹤結(jié)合起來探測肝細(xì)胞膜蛋白的運動，之后莊小威研究組又展示了3D STORM成像，證明這比三維空間衍射極限空間分辨率更好。

 

除此之外來自哈佛大學(xué)的謝曉亮教授將SRS顯微技術(shù)與核磁共振成像（MRI）技術(shù)聯(lián)合起來，從而能快速靈敏的捕捉活體組織中分子運動，比如血細(xì)胞擠壓通過血管的過程。

 

這項技術(shù)鏡頭分辨程度達到亞細(xì)胞水平，可記錄下蛋白、脂肪及細(xì)胞內(nèi)液的情況。由于SRS顯微鏡可以探測到原子間化學(xué)鍵的共振，因此無需熒光標(biāo)記。研究人員認(rèn)為SRS顯微鏡可以在腫瘤摘除手術(shù)方面有所幫助，加快手術(shù)進程。傳統(tǒng)的樣本分析需要花費約20分鐘，SRS 顯微鏡幾乎可以做到實時掃描。

 

2010年雙光子顯微鏡的出現(xiàn)讓大腦成像系統(tǒng)有了進一步的發(fā)展，雙光子顯微鏡可探測至大腦內(nèi)部1毫米的深度，這超過普通光學(xué)顯微鏡的十倍。而利用熒光傳感器探測神經(jīng)元活動則使數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠。這些新技術(shù)與制備工藝的完美結(jié)合為人類研究大鼠和小鼠的大腦提供了物理的和光學(xué)的方法，從而使活體動物完整大腦組織的神經(jīng)信號傳遞的可視性得以實現(xiàn)。

 

另外在腫瘤組織成像方面，來自美國的科學(xué)家們利用一種稱為非線性干涉成像技術(shù)（NIVI）的新型顯微檢測技術(shù)對大鼠乳腺癌細(xì)胞和組織進行掃描在不到五分鐘的時間內(nèi)生成了易讀的彩色編碼組織圖像，圖像中腫瘤邊界清晰，準(zhǔn)確率高達99%。

 

今年，來自加州大學(xué)舊金山分校研究人員又報道了一種活體肺組織實時成像技術(shù)——高速雙光子成像（video-rate,two-photon imaging），這種技術(shù)能首次在不影響肺組織正常生理功能的情況下，實現(xiàn)對細(xì)胞活動進行實時成像觀測。而來自美國能源部布魯克海文國家實驗室的研究人員開發(fā)了一種新型的RatCAP PET活體動物成像系統(tǒng)，這一新型設(shè)備為神經(jīng)科學(xué)家們研究處于清醒和活動狀態(tài)下的動物大腦功能和行為提供了新工具。

 

除此之外，值得重點關(guān)注的還有單層光顯微技術(shù)（light sheet microscopy），這一顯微技術(shù)利用薄的，扁平的單層光照射生物樣品，從而可以對數(shù)毫米的樣品進行觀察，并能進行熒光成像。

 

利用這種技術(shù)，研究人員可以觀察細(xì)小生物體和胚胎組織。他們還將雙光子激活與單層光顯微技術(shù)結(jié)合在了一起，從而獲得了能進行高分辨率，高穿透深度（可以觀察到三維樣品內(nèi)部），以及高成像速度的活體生物成像的新技術(shù)。