摘要 激光扫描共聚焦显微镜作为80年代发展起来的一种高精度分子细胞生物学分析仪器，具有组织细胞断层扫描、活细胞动态荧光监测、三维图像重建、共聚焦图像定量分析等先进功能，在近年的细胞凋亡这一研究热点中得到了大量创造性的应用。本文拟就对激光扫描共聚焦显微镜在凋亡的形态学、分子水平变化及重要生理过程三方面研究中的应用及其成果做一综述。 细胞凋亡(apoptosis)是不同于细胞坏死的一种细胞主动死亡方式，并由特定的基因控制。凋亡细胞在形态上出现变圆皱缩、染色质浓缩边集、核碎裂、凋亡小体形成等变化，并最终由非炎症过程清除。由于细胞凋亡独特地影响着机体的细胞发育和代谢，在监测和清除肿瘤细胞与突变细胞等方面也可能发挥重要的作用，近年来受到了细胞生物学、分子生物学、免疫学等多学科的广泛关注。 激光扫描共聚焦显微镜(laser scaing confocal microscopy, LSCM)是80年代发展起来的一种高精度分子细胞生物学分析仪器，辅以各类免疫荧光探针或荧光染料与被测物质特异性结合，不仅可观察固定的细胞组织切片，还可对活细胞的结构、分子和离子进行实时动态地观察和检测。在细胞凋亡的研究中，激光扫描共聚焦显微镜已被广泛地应用于形态学、分子水平监测及重要生理改变等各方面，其中不乏新颖之处，并获得了大量成果，以下将就此做一简单的介绍。 激光扫描共聚焦显微镜与凋亡的形态学 激光扫描共聚焦显微镜用点光源扫描标本的光学横断面，以代替普通光学显微镜所使用的场光源，并用探测针孔滤去离焦光线，所以消除了来自焦平面以外的衍射或散射光的干扰，可实现高清晰、高分辨率的组织细胞断层扫描。并且由于激光扫描共聚焦显微镜采用数字化成像，因而辅以一定的软件就能对图像进行定量分析及三维重建等操作。过去对细胞凋亡的形态学研究方法局限于活性细胞和组织切片染色、荧光镜观察，或者石蜡切片原位末端标记法。由于普通光镜的分辨率和清晰度有限，而电镜又显然不适合对凋亡这一复杂动态过程的监测，激光扫描共聚焦显微镜的应用使人们对细胞凋亡的形态学观察分析提高到了一个前所未有的新水平。 细胞核 核膜的破坏对于染色质聚集并形成凋亡小体起重要作用。lamin是构成核片层的蛋白质，位于核膜的内表面，由caase-6介导的lamin裂解可影响核膜的完整性。在McCall等的研究中，对果蝇卵子发生晚期的细胞凋亡现象进行了动态观察。以单抗mAb101标记其哺育细胞核内膜的laminDm0（哺乳类laminB的同源体），用激光扫描共聚焦显微镜加以观察。正常哺育细胞到11期时，染色的lamin呈弥散的雾状分布并围绕核周，而dcp-1GLC哺育细胞即使到了较晚的14期时，仍然显示界线明确的染色。可见dcp-1突变体在核lamin蛋白的酶切或解聚方面存在缺陷。 细胞器 Li 等在对C(6)-酰基鞘氨醇诱导胞内囊泡产生的研究中，在不产生中毒效应的情况下，加入10microM C(6)-酰基鞘氨醇以诱导鼠纤维母细胞(3T3-L1和3T3-F442A)凋亡。观察到囊泡的形成与C(6)-酰基鞘氨醇的诱导呈时间依从和剂量依从关系。大量小泡在其加入后8小时内出现，并且随时间而增大；大泡最终分布在核周，而小泡分布在细胞边缘。用抗-溶酶体膜蛋白抗体和共聚焦免疫荧光显微分析，证明增大的囊泡为晚期内吞体/溶酶体。另外，胞内的细胞器都有其适用的荧光探针，如高尔基复合体常用的探针有Dceramide、BODIPY ceramide等，内质网常用的有Dil、DiOC6等，经标记均可进行精细的观察。 当然，激光扫描共聚焦显微镜在形态学中的优势更在于其对图像的三维重建功能，从而揭示过去只能在平面上显现的凋亡细胞在三维空间中的结构；而对细胞凋亡的动态过程，它可以用三维加时间的四维方式进行观察，来获取最逼真的形态学资料。凋亡过程中一些特征性的三维形态变化正期待着进一步具体的工作去发现。 激光扫描共聚焦显微镜对凋亡细胞的分子水平监测 随着分子生物学突飞猛进的发展，关于细胞凋亡分子机制的研究已有了很大的突破。细胞凋亡的信号传递途径及其调控涉及到大量的酶级联反应、生物大分子的空间转移等。而激光扫描共聚焦显微镜以其定性、定量、定时的优点，结合众多荧光探针的应用，成为了研究细胞凋亡分子水平变化的有力手段。 DNA 大分子DNA断裂以及染色质的异常凝聚，是细胞凋亡的关键，同时也是细胞核在细胞凋亡中具有标志性的变化。Columbara等报道将激光扫描共聚焦显微镜与原位TdT和Poll免疫荧光技术相结合，进而确定双链和单链DNA的断裂点。而在对细胞凋亡和细胞坏死区别的研究中，Kreel等在培养的K562细胞中加入放线菌素D以诱导凋亡，并对细胞的DNA片段进行了3’-末端标记。经激光扫描共聚焦显微镜观察发现K562细胞凋亡早期有大量DNA片段出现，且DNA片段弥散分布于除核仁外的细胞核区。伴随着凋亡的进展，细胞核内出现大量高标记密度的圆形小体。而采用NaN3或快速冻融法使细胞坏死，经激光扫描共聚焦显微镜观察证实，在坏死开始阶段并无DNA片段的出现，至少在坏死发生24小时后才有DNA片段产生。 Caase家族 Caases是一组高度保守的半胱氨酸蛋白酶，目前发现有11个成员。多数细胞凋亡是以Caase家族蛋白的激活并作用于其关键底物而实现的，而caases激活的关键又在于该家族蛋白间的级联反应，因此caases被认为是细胞凋亡的中心环节和执行者，成为研究的热点。 Mandal等用激光扫描共聚焦显微镜对细胞凋亡中激活的caase-3的重分布进行了研究。用丁酸处理细胞后，观察到DNA-PKcs的裂解与caase-3的激活成正相关，而Bcl-2的过度表达则可抑制上述两个过程。同时还证明（1）激活后的caase-3重分布到核区，（2）裂解局部的DNA-PKcs和PARP（polyADP-ribosepolymerase，聚腺苷二磷酸核糖多聚酶），（3）裂解产物又被释放到核外的细胞液。caase-3的抑制物四肽DEVD-CHO又可抑制上述的三个连续的步骤。该研究提示：激活的caase-3在核内的重分布构成了丁酸所诱导的细胞凋亡中的一个重要凋亡信号。 另外，在用激光扫描共聚焦显微镜对Q79诱导大鼠神经元凋亡的研究中，Sanchez等发现了Q79对caase-8的聚集和激活，而对caase-8的抑制则阻止了被诱导的细胞凋亡；加以Westernblot分析，还建立了caase-8的激活和某些神经退行性疾病（如舞蹈病）的联系。 Grazyme 丝氨酸蛋白酶grazyme为另一种重要的凋亡信号分子，对某些caase家族蛋白也有激活作用。Trapani等就证明了杀伤淋巴细胞利用穿孔素和grazymeB的协同作用来诱导靶细胞的凋亡，在其研究中通过激光扫描共聚焦显微镜观察到（1）50%细胞的胞核内快速聚集了以FITC荧光标记的grazymeB（最长7分钟，t1/2为2分钟），然后发生凋亡；（2）其它的细胞只有细胞液内有FITC-grazyme B的摄取，避免了凋亡。此间至少在13分钟后才有DNA碎片的出现，说明核内的grazyme B聚集出现在凋亡的执行阶段之前。并且通过对核内液的处理（加入70KDa FITC-dextran），间接观察到grazyme B的转移并非是因为核膜受caases的作用而破损，而是由于穿孔素的协同。 其它 以上的介绍显示，激光扫描共聚焦显微镜在检测活细胞酶活性动态变化方面有着突出的优势。实际上，对于细胞凋亡的分子机制这样一个极其复杂的课题，激光扫描共聚焦显微镜的应用远不只限于上述的几种离子和大分子，而是渗透到了大量的分枝课题中去。如在对重要的凋亡负调控蛋白Bcl-2的研究中，Beham等利用基因毒性损害（genotoxic damage）诱导细胞凋亡，并以Bcl-2蛋白抑制其凋亡过程。用激光扫描共聚焦显微镜和Immunoblotting观察显示，Bcl-2的作用在于阻止了诱导产生的p53蛋白向核内的转运。而Ohsawa等对独立于caase家族的另一种重要蛋白酶—组织蛋白酶进行了研究，用血清剥夺法诱导PC12细胞凋亡，并用激光扫描共聚焦显微镜监测了其精细超微结构改变过程和细胞内组织蛋白酶B和D的免疫活度的对比变化。又如，在人胰岛淀粉样多肽（hIA）的研究中，Hiddinga等用表达hIA的质粒转染COS-1细胞诱导凋亡，辅以免疫组化染色，用激光扫描共聚焦显微镜证明了hIA在细胞的内质网和高尔基复合体内呈簇状沉积，并与细胞凋亡成相关关系。总之，随着在凋亡中扮演重要角色的生物大分子的不断发现，激光扫描共聚焦显微镜的应用还会更为宽广，成为监测生物大分子在时间、空间上动态分布的重要工具。 |
省部重点实验室
第1楼2012/03/02
激光扫描共聚焦显微镜与凋亡中的重要生理过程研究
游离钙分析
Ca2+在多条信号传递通路中发挥着重要的作用，在细胞凋亡中也不例外。用激光扫描共聚焦显微镜辅以钙荧光探针活体测量[Ca2+]较之传统方法具有无可比拟的优点，如荧光探针易于导入，空间分辨率高，反应速度快，多离子同时测定等。
在对大鼠胸腺细胞凋亡的研究中，采用毒胡萝卜素诱导细胞凋亡，经激光扫描共聚焦显微镜对胞内游离Ca2+ 信号对胸腺细胞凋亡激活作用的研究发现，诱发细胞凋亡所需毒胡萝卜素的最低浓度为1μM，而此诱发过程可被Ca2+ 螯合剂所阻断，同时还发现凋亡核的形成和广泛的DNA断裂现象，结果表明毒胡萝卜素诱导的Ca2+增加信号足以激活胸腺细胞的凋亡。另外，Fang等对高效抗癌化疗药物Harringtonine(HT）快速诱导HL-60细胞凋亡的现象进行研究，用激光扫描共聚焦显微镜观察证实了该凋亡过程中的两个连续过程，即Ca2+离子在细胞核内的积聚及其进一步的核内区域化。
线粒体膜电位测定
激光扫描共聚焦显微镜可辅以电位敏感性荧光染料进行间接的膜电位测量。通过测量生物膜两侧的荧光强度，代入Nert方程即可算得该膜两侧的电位差。因为激光扫描共聚焦显微镜能有效地排除非焦平面的荧光，因而较之普通荧光显微镜能获得更为准确的膜内外荧光值，避免了可能产生的严重误差。正是激光扫描共聚焦显微镜的这一功能，被应用于细胞凋亡中一热点问题的探讨，即线粒体膜电位改变（MPT）、细胞色素C的释放与细胞凋亡的关系。
在Heiskanen等人的研究中，应用了四甲基罗丹明甲酯（TMRM）来监测线粒体的膜电位。在其实验中，用stauroorine诱导单个PC-6活细胞的凋亡，同时用激光扫描共聚焦显微镜观察了细胞色素C的释放与MPT之间的时间关系。结果在用stauroorine后的2小时到7小时，线粒体膜电位发生了急剧的下降；并用绿荧光蛋白标记细胞色素C，发现线粒体膜去极化伴随细胞色素C的释放。进而，细胞色素C参加到caase家族蛋白的激活过程中，使细胞最终走向死亡。另外，Minamikawa等[21]也对线粒体在细胞凋亡中扮演的角色进行了研究，在该实验中，Mitotracker Red被用以标记线粒体，它具有极强的光敏化作用和潜在的光毒性。当向胞内加入100nM该荧光探针后，用激光扫描共聚焦显微镜成像，常规扫描所用的激光束在此时通过Mitotracker Red产生光毒性诱导线粒体的损伤，同时可见线粒体去极化指示剂罗丹明-123的荧光强度迅速下降，说明线粒体发生了快速去极化，而残余的少量Mitotracker Red则使线粒体在损伤后15分钟内的球状肿胀得以显现；对细胞色素C的免疫组化染色也显示在上述光照后细胞色素C由线粒体弥散到胞浆中的现象。
结语
在当今生物医学的研究中，从分析走向综合、从静态走向动态、从现象走向本质是一个大趋势。在细胞凋亡这个诱人课题的研究中，有复杂的生化级联反应，有精细交织的信号传导途径，有生物膜电位的改变以及最终形态上的大体变化，激光扫描共聚焦显微镜作为一种全新的实验手段，辅以众多荧光探针的创造性运用，的确显示出了强大的生命力。
同时，应该认识到只有选择合适的荧光探针，才能保证实验的顺利进行并获得理想的结果。因此，选择荧光探针时须考虑到：（1）现有仪器所采用的激光器，（2）荧光探针的光稳定性和光漂白性，（3）荧光的定性或定量，（4）荧光探针的特异性和毒性，（5）荧光探针适用的PH值。另外，激光扫描共聚焦显微镜的有效应用尚需与其它技术联合互补，如对膜电位的定量研究中，可用微电极进行膜片钳记录或胞内记录，在测量膜电位同时测量荧光信号，以求出标准曲线。
总而言之，从激光扫描共聚焦显微镜在细胞凋亡研究中应用可以展望，这项多功能、高精度、自动化的实验手段必会在将来的科学研究中发挥更加重要的作用。
【七月征文】不一YOUNG实验“猿”
报名开启：ICS2024第十三届光谱网络会议！
巡检超百家 丹纳赫集团参与第四届客户关怀季
推荐收藏！盘点中药材及饮片检测解决方案
