Science发表：癌细胞移动神经发育新技术都能“看得到”

因“开发出超分辨率荧光显微镜”获得2014年诺贝尔化学奖的Eric Betzig博士又取得了一项突破成果。由他带领的团队最新开发出了一款结合2种成像技术的显微镜，可使研究人员观察活细胞前所未有的3D细节，包括癌细胞移动、脊髓神经回路连接以及免疫细胞在斑马鱼内耳中游走等。

在斑马鱼胚胎的脊髓中，新的神经元以不同的颜色发光，让科学家能够追踪神经回路的发育Credit: T. Liu et al./Science 2018

4月20日，这项成果以 “Observing the cell in its native state: Imaging subcellular dynamics in multicellular organisms”为题发表在Science杂志上。作者们认为，新技术解决了在活体组织中进行细胞成像这一长期存在的问题，为生物学研究提供了令人振奋的新视角。

图片来源：Science

克服传统显微镜的障碍

为了获得清晰的图像，传统的显微镜通常会将他们的实验对象隔离在一个载玻片上，或者用潜在的有害数量的光（harmful amounts of light）来照射它们。但Betzig博士认为，观察载玻片上被隔离的细胞就好像到动物园去研究狮子的行为一样（并不能看到细胞在原始环境中的真实行为）。

An immune cell migrates through a zebrafish's inner ear while scooping up particles of sugar (blue) along the way. Credit: T. Liu et al./Science 2018（视频地址：https://v.qq.com/x/page/a0633e8uelf.html）

为了克服这些障碍，Betzig博士和他的团队结合了两个他们于2014年首次报道的显微镜技术。现在，利用这一新装置，研究人员能够在细胞所处的自然环境下观察它们（而不是将它们分离、独立出来再观察它们）。上面的视频展示了在斑马鱼胚胎内耳中移动的一个免疫细胞。

Imaging cellular diversity in a developing zebrafish（图片来源：Science）

新技术的两大改进

第一步：让细胞“活着”

为了制作这个免疫细胞视频，Betzig博士及其同事避开了传统显微镜使用的强烈光线，因为这种光线会破坏或杀死活细胞。相反，研究小组使用了一种被称为“lattice light-sheet microscopy”的技术，该技术能够使一层薄光（a thin sheet of light）以非常高的速度不断地穿过活体组织，从而将细胞损伤降至最低水平，同时获得一系列2D图像，构建亚细胞动力学的高分辨3D电影（building a high-resolution 3-D movie of subcellular dynamics）。

第二步：使细胞周围环境不被“扭曲”

同时，为了使细胞的周围环境不被“扭曲”，研究人员使用了自适应光学（adaptive optics，天文学家使用的一种成像技术）。该技术能够帮助解决“扭曲”问题，并校正图像。

图片来源： Howard Hughes Medical Institute

Betzig博士说：“如果没有自适应光学，所有这些细节都很难看到。”在他看来，自适应光学是当今显微镜研究中最重要的领域之一，而擅长3D活体成像的“lattice light sheet microscope”则是展现其力量的完美平台。同时，他还指出，目前自适应光学还没有真正“起飞”，因为这一技术复杂且昂贵，但是未来10年内，世界各地的生物学家都将参与其中。

前所未有的3D分辨率

借助结合了“lattice light-sheet microscopy”和“自适应光学”的这一新显微镜技术，研究人员现在能够窥视生物体的内部，以前所未有的3D分辨率观察细胞间的相互作用。以下是9张酷炫的动图：

人类干细胞衍生类器官中的内吞作用

早期斑马鱼大脑中的细胞器动力学

斑马鱼眼睛中的细胞器动力学

网格蛋白介导的体内内吞作用

斑马鱼眼睛中膜动力学

脊髓神经回路发育的体内成像

网格蛋白在肌肉纤维中的定位

对大体积成像进行“Tiled Adaptive Optics”校正

斑马鱼异种移植模型中癌细胞的迁移

下一步计划

最后，值得一提的是，这一装置目前需要一个3米长的桌子，Betzig博士等正致力于让其更小巧、更人性化。“评判一个显微镜价值的唯一标准是，有多少人能使用它，以及人们用它所发现的东西的重要性。”他说。最终，Betzig博士希望这一新技术能够被商业化，让自适应光学成为主流。

参考资料：

Cutting-edge microscope spies on living cells inside the body

New Microscope Captures Detailed 3-D Movies of Cells Deep Within Living Systems