例如，通過結(jié)合兩種顯微鏡方法，EPFL 研究人員能夠同時觀察細(xì)胞內(nèi)部和細(xì)胞膜上發(fā)生的情況，從而對感染期間發(fā)生的細(xì)胞過程提供前所未有的洞察力。

細(xì)胞是生物體的基本組成部分，是許多復(fù)雜生物現(xiàn)象的宿主。研究人員需要能夠詳細(xì)研究這些現(xiàn)象，以了解某些類型的障礙和疾病，然后開發(fā)有效的治療方法。但在微米或納米尺度上有效地觀察活細(xì)胞仍然是一個挑戰(zhàn)。通過結(jié)合兩種不同的顯微鏡方法，來自兩個不同實(shí)驗(yàn)室的 EPFL 研究人員共同開發(fā)了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于以無與倫比的精度觀察活細(xì)胞的活動。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在兩篇文章中：一篇于 7 月發(fā)表在Nature Communications 上，另一篇于今天發(fā)表在ACS Nano 上。

EPFL 生物和納米儀器實(shí)驗(yàn)室 (LBNI) 負(fù)責(zé)人 Georg Fantner 說：“目前可用的方法在如此精細(xì)的水平上觀察活細(xì)胞存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。” “像電子顯微鏡這樣的技術(shù)可以在納米尺度上獲得無與倫比的細(xì)胞表面分辨率，但它需要將樣品置于真空下并用電子轟擊它們?；钌矬w根本無法在這種處理中存活下來。另一種常見的方法是熒光顯微鏡。盡管它可以讓“你在不破壞樣品的情況下觀察樣品，很難有足夠的分辨率來解析細(xì)胞的三維表面。此外，所需的光子劑量會導(dǎo)致細(xì)胞損傷。”

因此，EPFL 研究人員決定結(jié)合兩個互補(bǔ)的顯微鏡來觀察細(xì)胞表面和內(nèi)部分子活動，這對活細(xì)胞的侵入性微乎其微。他們將隨機(jī)光學(xué)波動成像 (SOFI) 與掃描探針顯微鏡相結(jié)合，可用于觀察細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的目標(biāo)分子和現(xiàn)象(或更具體地說，掃描離子電導(dǎo)顯微鏡——SICM)。掃描探針顯微鏡通常涉及用探針尖端直接接觸細(xì)胞樣本，以顯示其表面并繪制其地形圖。然而，樣品和尖端之間的機(jī)械接觸不利于觀察活細(xì)胞，因?yàn)樗鼤蓴_細(xì)胞的自然狀態(tài)。因此，EPFL 團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種顯微鏡，其中物理探針被玻璃納米孔所取代，該玻璃納米孔可測量離子流以在不接觸的情況下檢測細(xì)胞表面。

一切都與互動有關(guān)

將這兩種方法結(jié)合起來，為前所未有的科學(xué)觀察鋪平了道路。雖然熒光顯微鏡為研究人員提供各個單元內(nèi)部的偷看，掃描離子電導(dǎo)顯微鏡讓他們產(chǎn)生細(xì)胞膜的三維地形圖像。因此，EPFL 系統(tǒng)使研究人員能夠同時查看細(xì)胞的內(nèi)部和外部，讓他們深入了解這兩個不同地方同時發(fā)生的現(xiàn)象之間的聯(lián)系。

“細(xì)胞膜是它與周圍環(huán)境相互作用的地方，”Samuel Mendes Leitão 博士說。開發(fā) SICM 顯微鏡的 LBNI 學(xué)生。“這是許多生物過程和形態(tài)變化發(fā)生的地方，比如在細(xì)胞感染期間。我們的系統(tǒng)讓研究人員分析細(xì)胞內(nèi)的分子排列，并繪制出它們?nèi)绾闻c膜動力學(xué)相關(guān)聯(lián)。此外，我們現(xiàn)在可以非常詳細(xì)地跟蹤這些動力學(xué)的時間亞秒到幾天的范圍。能夠在納米尺度上長時間連續(xù)成像是活細(xì)胞顯微鏡的主要挑戰(zhàn)之一，因?yàn)榧?xì)胞對小擾動非常敏感。”

增強(qiáng)的圖像質(zhì)量

Vytautas Navikas，博士 EPFL 納米級生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室 (LBEN) 的學(xué)生開發(fā)了該系統(tǒng)的光學(xué)組件：“將這兩種方法結(jié)合起來的另一個好處是它令人難以置信地提高了圖像質(zhì)量。我們現(xiàn)在可以以更高的分辨率觀察細(xì)胞過程。”

EPFL 團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的系統(tǒng)可用于觀察細(xì)胞運(yùn)動、分化和細(xì)胞間通訊等現(xiàn)象，開辟了許多新的研究途徑。它在感染生物學(xué)、免疫學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域可能非常有用——在這些領(lǐng)域，了解細(xì)胞如何對外部刺激實(shí)時做出反應(yīng)非常重要。

這項(xiàng)研究也是當(dāng)來自兩個不同 EPFL 實(shí)驗(yàn)室的研究人員接觸并匯集他們的專業(yè)知識以追求共同目標(biāo)時可能發(fā)生的突破類型的一個很好的例子。