发布时间:2021-04-29 16:27 原文链接: 徕卡:探索显微科技极限提供生命研究新工具

  分析测试百科网讯 中国细胞生物学学会2021年全国学术大会在重庆召开。来自细胞生物学相关领域的2000余位专家、学者齐聚一堂,交流学科发展,更有众多企业,带来了领域前沿的创新技术。分析测试百科网采访了徕卡生命科学应用经理方策博士,他为我们介绍了徕卡在宽场、共聚焦、纳米显微镜、光电联用等多款创新产品,并展望了显微技术的发展新方向。


徕卡生命科学应用经理方策博士

  170余年显微成像领域创新

  徕卡显微系统公司创立于1849年,跨越170余年的光学研发历史,徕卡一直专注于显微成像,并不断推陈出新,是一家极具创新的科技公司。徕卡品牌世人皆知,目前有四家公司共享徕卡这一历史悠久的品牌,包括徕卡显微系统、徕卡相机、徕卡生物系统、徕卡测量系统。徕卡显微系统共有生命科学部门、手术显微镜以及工业显微镜三大部门。徕卡生命科学部门服务的客户群体主要是从事生物医学领域的基础研究客户,如大学、研究所、医院的研究机构,以及生物医药公司等等。


徕卡生命科学展台

  创新产品助力细胞研究

  本届细胞生物学大会上,徕卡主推的是以下三大产品线的技术产品,包括THUNDER宽场高清成像系统、Tau-STED纳米显微成像系统、冷冻光电联用系统。目前徕卡创新的THUNDER高清成像系统已能达到接近传统共聚焦级别的成像效果,而基于共聚焦平台的纯光学STED纳米显微成像技术,借助荧光寿命成像技术的加持,已扩展到30nm级别分辨率;光电联用系统汲取光镜与电镜成像两者的优势,能将光镜下载网上的荧光全景位置信息,与电镜成像进行无缝链接,显著提升了电镜下查找目标样品的效率。


徕卡此次展会主推的三款产品

  革新的THUNDER宽场高清成像系统

  传统宽场显微镜会受到非焦平面上那些模糊、虚化的信号干扰,无法进行三维成像。此前,人们必须使用共聚焦显微镜才能获得杂志审稿人认可的清晰图像;而现在通过THUNDER就能够使宽场显微图像达到类似共聚焦的效果,轻松完成厚样品的3D图像采集。


HeLa细胞球成像,Alexa Fluor 568-鬼笔环肽标记细胞微丝(红色)、YOYO 1碘化物标记细胞核(绿色)

  THUNDER系统采用专用的硬件和软件,能实现焦平面信号和非焦平面信号光学特征的特异识别,并通过专利技术提取焦平面信号,得到接近于共聚焦效果的图像,却不需要共聚焦显微镜那样的复杂操作,学习时间成本低,易于上手。同时,宽场成像有很多优点:首先是宽场显微镜的操作非常简单;其次是宽场成像速度远远高于共聚焦;第三是宽场成像系统的光毒性比共聚焦低。值得一提的是,徕卡THUNDER是通过专利技术实现瞬时的高分辨率宽场成像,xy分辨率最高达136nm。用户的感受是:可瞬时获得一张或一组高分辨率的清晰图像,效果接近于入门级共聚焦。

  搭载THUNDER系统的DMi8倒置显微镜,还可以根据客户的高端成像需求,升级扩展Infinity TIRF(全内反射荧光)系统,以及Infinity Scanner光操作系统。TIRF技术基于全内反射原理,可做到只激发盖玻片附近几十到200多纳米z轴范围内的荧光信号,排除细胞质与细胞核荧光信号的干扰,所以非常适合膜蛋白、胞吞胞吐等过程的高分辨率高速成像。

  Infinity Scanner光操作系统通过激光对样本进行特定操作,比如通过激光对特定区域进行光刺激、组织灼烧、细胞消融、 DNA损伤、解笼锁、荧光漂白后恢复等各种丰富的应用。方博士进一步解释,市场上专注于成像的显微系统纷繁众多,但是专注于操纵细胞状态的、专业的光操作显微系统却不多,光操作的应用非常广泛,比如神经生物学领域中常用的光遗传技术,结合光学和遗传学的技术手段,能以非常高的时间和空间分辨率来快速地操纵细胞状态。


搭载Infinity TIRF & Scanner的THUNDER宽场高清成像系统

  荧光寿命加持的tau-STED纯光学纳米显微镜

  谈到徕卡的超分辨技术,方博士更是信心满满:在共聚焦方面,徕卡标配的LIGHTNING超分辨模块已达到xy 120nm,z 200nm的分辨率,定义了共聚焦成像的新标准。


STELLARIS STED纯光学纳米显微镜

  方博士进一步介绍了徕卡在超高分辨率技术上孜孜不倦的追求。STED(受激发射损耗)是获得2014年诺奖认可的技术,而徕卡非常有先见地在2007年就推出了商品化STED产品,此后不断推陈出新,从单色到多色,从2D到3D,从连续激光STED到白激光门控STED,从光谱维度拓展到荧光寿命维度。全新的Tau-STED,与前几代STED产品相比,性能上已得到全方位的巨大提升,可以在更低光剂量条件下获得更好的分辨率,可达30nm分辨率,同时对活细胞的成像更加温和,由于Tau技术的加持,STED图像的信噪比也得到了质的飞越。


23nm Gattabeads 共聚焦与Tau-STED成像对比

  STED是目前市场是唯一一种通过纯光学的方法来实现超高分辨率成像的技术。与单分子定位显微技术相比,徕卡STED的制样也更简单,成像速度更快,用户使用更方便,大幅扩展了纳米显微镜的应用范围。

  光电联用系统

  极致分辨率成像方面,徕卡提供独具特色的光电联用系统,方策博士介绍了其原理。相比光镜,电镜的分辨率更高可达到埃级别,但只能观察很小的视野,难以快速找到感兴趣的细胞区域。这时可以借助光镜系统,因为光镜可以通过荧光标记快速找到阳性区域,然后通过光镜、电镜下的位置关联,快速找到感兴趣区域来进行高达埃级别分辨率的电镜成像,大大提高电镜成像的效率。冷冻电镜的采购和使用成本都很昂贵,传统的工作流程会浪费大量的机时在寻找样本上。徕卡与业界领先的Thermo Fisher电镜厂商共同联合开发的光电联用系统,能大大提高电镜实验的效率。


冷冻光电联用系统THUNDER Imager EM Cryo CLEM

  具体的操作方法是:在电镜所需载网上培养细胞,先用THUNDER光镜进行荧光高分辨率成像,并对整张铜网进行大图拼接,并标记下感兴趣的细胞区域,并存储下图像的所有位置信息。通过硬件和软件无缝整合,将样品转移至冷冻电镜中,快速找回标记区域,进行高分辨率的电镜成像。

  助力抗击疫情

  2020年,在新冠疫情的最早期,科研工作者们急需对这种未知的病毒进行精细的结构观察,以鉴定出病毒的种类。采用电镜对病毒形态结构进行观察是必不可少的。而徕卡在电镜制样方面非常有优势,包括超薄切片设备及冷冻电镜制样设备,可以帮助客户快速制备出合适的样品进行高分辨率的电镜观察。方博士特别提到,徕卡的应用专家在疫情早期即到科研单位,帮助研究者进行电镜制样,进行病毒的三维结构观察,为抗击疫情做出贡献。当鉴定出病毒类型之后,需进一步研究其侵染、致病机制,徕卡的活细胞工作站也在其中也发挥着重要的作用,可观察细胞在病毒侵染过程中的形态变化,从而了解病毒侵染的机制,以及各类药物在抗病毒过程中发挥的作用。

  Tau:见所未见,推开显微成像新世界的大门

  方博士在谈到徕卡的新产品规划时表示,徕卡将不断探索显微成像的极限,为客户提供更先进的研究工具。他特别要提到的是新的STELLARIS共聚焦系统扩展了Tau荧光寿命成像新模式--TauSense,为科学研究打开一扇新的大门。TauSense工具提供一种全新的成像观察维度,相对于传统的荧光光强成像,荧光寿命成像有许多优势。TauSense成像模式从荧光寿命的维度观测荧光信号,不受淬灭干扰、同染色浓度和激发光的强弱均无关,因此可以排除传统荧光亮度成像存在的各种缺点,大大提高生物实验的可重复性。同时TauSense也借助生物体自发荧光的荧光寿命差异来进行不同组分的分离、细胞代谢状态的检测,以及组织癌变的鉴定。我们希望能推动TauSense这项新技术在生物医学研究中的广泛应用。


植物组织的TauSense荧光多组分拆分

  荧光寿命的应用非常广泛,能与单光子、STED、多光子等各类成像技术相结合。首先在单光子方面,Tau可以帮助徕卡的白激光共聚焦实现FLIM-FRET,从而对10 nm内的蛋白质的相互作用开展研究。其次在STED方面,Tau可进一步提高其分辨率以及图像的信噪比,可实现更温和的、活细胞超高分辨率成像。第三,Tau助力多光子活体成像,由于多光子经常能激发出活体动物的自发荧光,可以通过这些自发荧光来监测细胞的代谢环境变化、包括组织是不是有癌变,是不是有其它状态的改变,帮助多光子实现更多信息的成像。


实现“TauSense”新成像模式的STELLARIS共聚焦平台

  从活细胞成像到活体成像

  近年来,活细胞工作站市场热度很高,徕卡在细胞大会上也展出相应产品,方博士谈到其原因时说:生命科学显微成像的技术发展,是从固定细胞做到活细胞成像,从固定组织切片逐渐做到活体成像的趋势。徕卡的活细胞工作站既可以搭载在THUNDER宽场显微系统,也可以搭载在STELLARIS特色的白激光共聚焦显微系统上。徕卡创新的白激光系统能很好的满足低光毒性活细胞成像需求。


徕卡展出的活细胞工作站

  方博士详细介绍了白激光共聚焦。活细胞成像最大的难点是光毒性的控制,需考虑长时间拍摄是否会对细胞状态产生影响。徕卡通过以下几项技术来做到全面保障。首先是荧光激发效率的提升,徕卡共聚焦可搭载独有的白激光光源,激光谱线自由可调,能保证所有染料达到100%激发效率,因此可降低激光的使用强度,更好地保护细胞。其次,STELLARIS白激光更将激发波长扩展到了790nm,可使用更长波长的染料,激发波长越长,能量越低,对细胞的损失也更小。再者,是检测器灵敏度的全面提升,徕卡采用HyD混合型检测器全面替代传统PMT检测器,大幅提升量子检测效率,又能再次降低激光的使用强度,把激光对细胞的损伤降到更低。徕卡从激光光源、光路、检测器等全方面的整体效率提升,从而能保证更低光毒性、更长时间的活细胞动态观察。


搭载白激光和活细胞工作站的STELLARIS共聚焦系统

  除此之外,徕卡还提供独特的活体成像系统,创新的光谱式多光子DIVE DM8活体深度成像解决方案。活体成像的动物可从小鼠、大鼠等小型模式动物,扩展到非人灵长类等大型动物。据悉,目前已有中国客户订购了徕卡全球首台DIVE光谱式多光子非人灵长类活体成像系统。生命科学研究的终极目标是为了改善人类生命健康,提高生活品质。传统小型的模式动物,在基因层面和生理结构方面都与人体都有着巨大的差异,和人最接近的是非人灵长类,在研究诸如神经系统相关的许多疾病时,人类的很多疾病在小鼠身上无法造模,所以更好的研究模型是非人灵长类疾病模型。徕卡可为这类大动物活体成像客户提供定制化的设计和服务。


STELLARIS DIVE DM8大动物光谱式多光子活体深度成像系统

  徕卡于4月8号启动了上海客户体验中心,体验中心覆盖了宽场、共聚焦、超高分辨率、电镜制样等全系列产品线,5月份即将到位一台全新的STELLARIS Tau-STED纳米显微成像系统。徕卡希望带给中国客户最好、最新的技术体验,帮助研究者尝试各种最新的技术,为中国的科研助力。


徕卡上海客户体验中心

  关于徕卡显微系统

  徕卡显微系统是全球显微科技与分析科学仪器领域的专业厂商,总部位于德国维兹拉(Wetzlar, Germany)。主要提供显微结构与纳米结构分析领域的研究级显微镜等专业科学仪器。自公司十九世纪成立以来,徕卡以其对光学成像的极致追求和不断进取的创新精神始终得到业界广泛认可。徕卡在复合显微镜、体视显微镜、数码显微系统、激光共聚焦扫描显微系统、电子显微镜样品制备和医疗手术显微技术等多个显微光学领域都取得了傲人的成绩。

  自创立至今,徕卡的光学足迹已遍及全球 100 多个国家。目前,徕卡在欧洲、亚洲与北美有 7 大产品研发中心与 6 大生产基地,在 20 多个国家设有销售或服务支持中心,以及遍布全球的经销商服务网络。

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