高分辨率细胞显微镜

近日，德国IBIDI公司成功开发出一款超高分辨率生物显微镜。该公司宣称基于新型随机光学重建显微技术“(d)STORM”，利用该公司独创的特殊塑料底板“μ-Slides”可实现超高分辨率观察活体细胞。 　　STED，SIM，(F)PALM 和(d)STORM等新型光学显微技术可有效避免衍射极限，获得纳米级水平的超高分辨率成像。这些超高分辨率显示技术可应用到生物实验研究，观察了解组织细胞分子结构。IBIDI公司采用了创新性的含有亲水性膜涂层的塑料材质底板“μ-Slides”替代传统玻璃底板，首次实现了“活体细胞”超高分辨率观察。这种被成为“ibi-Treat”的亲水性膜涂层性能可以与标准的细胞培养瓶和培养皿相媲美。 　　IBIDI公司相关研发工作受到了德国联邦教研部《生命科学领域光学技术—基本细胞功能》项目的资助。

p 　　CT、磁共振，几乎是苏州各大医院的“标配”医疗器械，凭借这些先进的设备，医生能够快速、准确地诊断患者的病症。 br/ br/ 　　不知道患者们在接受检查时，有没有留意过这些医疗器械上的LO-GO——如果他们留意，会发现这些医疗器械的LOGO几乎全是英文字母——目前中国医疗机构使用的绝大多数大型高档医疗器械，都依赖于进口，这些“洋机器”高昂的价格，在一定程度上增加了中国患者的经济负担。 br/ br/ 　　在苏州医工所，中国医疗器械市场“洋垄断”的尴尬局面正在被打破，他们自主研发的一些设备，已经达到并正在超越世界巨头的水平。医工所所长唐玉国梦想着：在未来的某一天，我国的老百姓去医院就医的时候，用上的都是苏州医工所自主研发和生产的医疗仪器，产品性能优于国外同行，价格还便宜很多。 br/ br/ 　　美国的“GPS”曾经垄断了中国的卫星导航市场，直到几年前中国自己的北斗卫星导航系统横空出世。 br/ br/ 　　而目前，另一个“GPS”在中国仍处于垄断地位——GE （通用电气）、PHILIPS（飞利浦）、SIEMENS（西门子）等外资巨头生产的CT类、磁共类、核医学类以及血管造影类等大型高精尖医疗器械，牢牢地占据着全国的医疗系统。 br/ br/ 　　在苏州科技城科灵路边上一个外观低调的灰色建筑群里，一个400多人的科技创新团队正铆足了劲，向以“GPS”为代表的国际医疗器械巨头发起挑战，这里就是中国科学院苏州生物医学工程技术研究所（简称“苏州医工所”），中科院旗下唯一以医疗仪器为主要研发方向的国立研究机构。 br/ br/ 　　“我们要耐得住寂寞，沉下心来踏踏实实地工作。我相信，在不久的将来，中国的医生将用中国人自己研发的医疗器械造福人民。”苏州医工所所长唐玉国说。 br/ br/ strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 尴尬：高端医疗器械遭遇“洋垄断” /span /strong br/ br/ 　　科技城医院，苏州最年轻的三甲医院，拥有各种高科技医疗设备。“我们在医疗设备上总共投资了2亿多元，”该院相关负责人介绍，但其中高端大型设备几乎全是进口的、贴着“GPS”的标签，“作为一名中国医生，我觉得有些悲哀。” br/ br/ 　　科技城医院只是全国医疗机构的一个缩影。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 据统计，我国约80%的CT市场、90%的超声波仪器市场、85%的检验仪器市场、90%的磁共振设备、90%的心电图机市场、80%的中高档监视仪市场、90%的高档生理记录仪市场被外资企业垄断。 /span br/ br/ 　　2008年9月，时任中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光栅技术研究室主任、国家光栅制造与应用工程技术研究中心常务副主任的唐玉国，被委派到苏州参与筹建医工所，经过4年的努力，2012年11月26日，苏州医工所通过了验收，正式成为了中科院序列的研究所。 br/ br/ 　　苏州医工所定位于“面向生物医学的重大需求，开展先进生物医学仪器、试剂和生物材料等方面的基础性、战略性、前瞻性的研究工作，引领我国生物医学工程技术的发展，建成医疗仪器科技创新与成果转化平台”。 br/ br/ 　　完成了筹建工作后，唐玉国留在了苏州，担任医工所所长。 br/ br/ 　　“简而言之，苏州医工所的主要使命是破解中国医疗器械行业自主创新能力弱、高端医疗器械依赖进口的尴尬。我们要全力以赴培养自己的人才，研发自己的产品，从而打破国外巨头的技术垄断。”唐玉国说。 br/ br/ strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 曙光：“中国之光”撕开垄断“夜幕” /span /strong br/ br/ 　　苏州医工所的主要攻关方向是医用光学类器械、临床检验器械和康复类器械。 br/ br/ 　　“CT、磁共振被‘GPS’垄断，高端显微镜则被‘LZO’垄断——徕卡、蔡司、奥林巴斯。”唐玉国说，长期以来，我国高端显微光学仪器全部依赖进口，这已经成为制约我国前沿科学研究和科研仪器行业发展的“瓶颈”。 br/ br/ 　　“要挑战，就要挑战国际顶级权威。”唐玉国和他的团队直接瞄准了“LZO”，2010年，苏州医工所启动了超高分辨率显微镜的研制专项。 br/ br/ 　　研发高端显微镜最难的是镜头。唐玉国说，这种镜头的分辨率要达到纳米级（1纳米等于10亿分之一米），由10多块镜片组成，能够看清人的脑神经结构。 br/ br/ 唐玉国坚信“德国人、日本人能做到的，中国人也能做到，而且会做得更好”。“5+2”、“白+黑”，唐玉国和他的伙伴们拼命工作，他的头发在短短的几年中熬得花白了。 br/ br/ 　　两年多后，苏州医工所成功地研发出能够媲美“LZO”的超高分辨率镜头，“超高分辨率镜头和我们独到的电子学软件相结合，我们的超高分辨显微镜，在检测速度上比徕卡的同类产品快1-2倍，”唐玉国自豪地说。 br/ br/ 　　在超高分辨率显微镜的研发过程中，苏州医工所还收获了“副产品”——显微镜中有一个部件叫样品载物台，以前，国产的一个售价9万，奥林巴斯生产的一个售价几十万，但国产的质量远远不如奥林巴斯，于是，苏州医工所的科研人员“顺便”研发出了和奥林巴斯同级别的产品。 br/ br/ 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 如今，苏州医工所的共聚焦显微镜已经进入工程化；STED显微镜已经完成原理样机，实现超分辨成像，分辨率达到50纳米；完成了3套完整的双光子生物在体功能显微成像系统样机的研制和指标测试。这些项目使我国一举走到世界高端光学显微镜研制的前列。 /span br/ br/ 　　苏州医工所研发的超高分辨率显微镜系列产品，被命名为“中国之光”，这个名字有两重寓意：第一，它是中国人自己研发的；第二，它就像一束曙光，刺破了国外巨头垄断的“夜幕”。 br/ br/ 　　如今，“中国之光”已经进入国内的多家科研机构和医院，并出口到以色列、德国、美国。 br/ br/ span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 梦想：中国人用的医疗器械“苏州智造” /strong /span br/ br/ 　　超高分辨率显微镜的成功，只是苏州医工所打破国外巨头垄断的开端。 br/ br/ 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 2015年，苏州医工所又成功研发了拥有10多项国家发明专利和实用新型专利的流式细胞仪。 /span 流式细胞仪是一种综合了激光技术、计算机技术、流体力学、微弱信号处理技术、细胞化学和生物探针技术等众多领域先进技术和成果的高科技仪器，它可以对细胞的生物物理和生物化学性质（如大小、内部结构，DNA、RNA、蛋白质、抗原等）快速测量并可以分类收集，速度可以达到每秒10000个细胞的多参数高通量测量，被誉为“细胞CT”。 br/ br/ 　　当前的国内流式分析仪器市场主要由BD、beckman两大公司占有。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 苏州医工所研制的流式细胞仪是我国第一款面向个性化普及应用的轻便型产品，目前已进入产业孵化阶段。 /span br/ br/ 　　苏州医工所还成功研发了目前世界上最小的超声探头，其体积和一粒米差不多，可以直接插进人体血管，这项成果，震惊了世界医疗器械巨头们。 br/ br/ 　　在“GPS”所垄断的领域，苏州医工所也有所突破，他们设计了全球首款坐式脑部磁共振仪，即将投入样品制造阶段；他们正在研发专用肺CT、手术机器人……苏州医工所的目标是，到2022年能够在一两个领域处于国际领先地位，10-20种产品投入实际使用。 br/ br/ 　　唐玉国有一个梦想：在未来的某一天，我国的老百姓去医院就医的时候，用上的都是苏州医工所自主研发和生产的医疗仪器，产品性能优于国外同行，价格还便宜很多。 br/ br/ span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 建言：创新“高峰”需要才与财做基础 /strong /span br/ br/ 　　作为省党代会的代表，去年11月，唐玉国和省委书记李强坐在一起，探讨创新话题，关于李强对苏州提出的“创新四问”，唐玉国有着自己的独特见解。 br/ br/ 　　“人才是创新的基础，没有人才，一切都是空谈。”苏州医工所筹建之初，唐玉国手下只有十几个刚刚毕业的研究生，在他的努力下，十几位“中科院百人计划”专家陆续从欧美来到了苏州医工所，苏州医工所还聘请了德国慕尼黑工业大学神经科学研究所所长和其团队来苏州工作。除了全职引进国外团队，还大胆尝试以“半入职”形式引进国外科技人才，在与一名剑桥大学的博士后谈合作时，唐玉国干脆要求他一年只需要三个月到苏州医工所工作，其他时间可以在英国。截至2016年5月底，苏州医工所拥有“千人计划”专家5人，“万人计划”专家1人，“百人计划”专家14人，江苏省双创人才14人，中科院“青年促进会会员”8人；研究员35人，副研究员50人；高访、客座25人；在学研究生141人。有了人才，苏州医工所在短短几年内发展突飞猛进，“江苏省医用光学重点实验室”、“中国科学院生物医学检验技术重点实验室”等省级和国家级的实验室纷纷建立。唐玉国认为，苏州目前创新人才集聚度不够，政府应该重视人才“造血”，下功夫培养本土创新人才。 br/ br/ 　　唐玉国认为，科技创新还必须要有坚实的资金后盾，政府应该在这方面舍得投入。他告诉记者，苏州医工所的重大创新成果，基本上是用钱“砸”出来的，仅超高分辨率显微镜一个项目，国家财政部就“砸”了2亿多。“苏州在科技创新方面‘有高原没高峰’，我觉得政府只要舍得‘砸钱’，是可以‘砸’出高峰来的。” /p

超高分辨率荧光显微镜正在不断改变我们对细胞内部结构及运作的认识。不过在现阶段，显微镜技术还是存在着种种不足，如果人们希望显微镜能在生物研究领域发挥重要作用，就必须对其加以改进和提高。 　　光学显微镜的出现及其影响 　　自荷兰博物学家、显微镜创制者Antonie van Leeuwenhoek(1632-1723)在17世纪第一次将光线通过透镜聚焦制成光学显微镜并用它观察微生物(microorganisms or animalcule)以来，显微镜就一直是生物学家从事研究工作、探寻生命奥秘必不可少的利器。正是因为有了Leeuwenhoek的这项伟大发明及其后继者对显微镜技术的不断改进和发展，人们才能够对细胞内部错综复杂的亚细胞器等结构的形态有了初步的了解。 　　此后，研究人员对显微镜技术的追求从未停歇过，他们总是希望能得到分辨率更高的显微镜，从而更好地观察细胞内部更细微的结构。最近，《自然-方法》(Nature Methods)杂志上报道的超高分辨率成像技术(super-resolution imaging, SR imaging)终于使得人们可以在单分子水平上进行观察研究。 　　SR技术的发展过程 　　在达到今天SR技术水平的过程中，承载了许许多多研究人员辛勤劳动的汗水，也面临着诸多亟待解决的难题。 　　在以上这些光学SR成像技术中有两种技术&mdash &mdash 受激发射减损显微镜(stimulated emission depletion microscopy, STED)和饱和结构光学显微镜(saturated structured illumination microscopy，SSIM)最受关注。 　　最近，基于探针SR成像技术的光敏定位显微镜(PALM)和随机光学重建显微镜(STORM)，以及借助荧光基团随机激活特性的荧光光敏定位显微镜(FPALM)都已经取得了成功。 　　通过基于探针的SR成像技术，可以获得多张原始图像。在每一张原始图像中，细胞内只有一部分被荧光标记的分子能发出荧光，即这些荧光分子都处于不断激活和灭活的交替状态，每一次都只有部分分子能被观察并成像。而且由于每次发出荧光的分子都分散得较为稀疏，因此相互之间不会受到影响，也就避免了因相邻分子发出荧光而无法分辨的问题。最后将这些原始图片叠加、重合在一起就得到了最终的高分辨率图像。这样，就能使得那些以前由于荧光点太密以至于无法成像的结构的分辨率达到纳米级水平，而且成像的分子密度也相当高，可以达到105个分子/&mu m2。 　　这种分辨率对于生物学家来说，意味着现在可以在分子水平上观察细胞内的结构及其动态过程了。 　　虽然显微镜技术已经发展到了如此高度，但它仍然只是生物学家研究中使用的一种工具。因此还需要将显微镜获得的图像与其它的试验结果互相参照，才能获得准确的结果。人们需要认清SR显微镜的优势与劣势，为操作以及判断SR图像制定出标准化的操作规范，只有这样才能最大限度地发挥SR显微镜的作用。 　　现在，由于人们对细胞内各组份的组织结构以及它们的动态变化过程都只有一个概念上的认识，因此，借助显微镜从纳米水平上对这些结构及过程进行真实的观察能让人们发现许多以往所不了解的东西。例如，以前人们通过电镜发现细胞骨架是由大量丝状网格样组织构成时，就有人对此现象持怀疑态度。那些认为细胞骨架是一种用来稀释细胞内生化物质浓汤这样一种结构的细胞生物学家把这种观测结果称作僵化的人为试验结果。 　　除非最新的SR显微镜图像或者其它的试验结果都能证明细胞骨架是由大量的丝状网格样组织构成的，否则还会有人持上述的怀疑观点。不过已经有其它的生化试验结果证实了早期的电镜观察结果是正确的。当然新兴的SR技术也需要其它传统的生化试验结果予以佐证才有价值，同时还需要电镜的辅助。因为电镜能提供纳米级的观察结果，这对于佐证具有同样分辨率的SR显微镜观测结果来说是最有价值的。 　　今后，大家在逐步了解、接受和广泛使用SR显微镜的同时，需要注意将会出现的各种问题，以下的表格列出了部分与SR显微镜使用相关的缺点及其目前的解决方法。 　　最近几年，就如何处理图像已经有了非常严格的操作规范。不过迄今为止，对于怎么处理SR图像还没有一个标准的操作规范。尤其需要指出的是，PALM和STORM数据在某些重要因素上，graph方面的共性要多于image方面。在一张SR图像上，分子的不确定性和密度都能用颜色表示出来，这种图像把细胞内该分子有可能出现的任何地点都标示出来了。而且只有被标记的分子按照一定的标准(发出的光子数)判断它的确是一个单分子并且定位准确之后才显示出来。必须对获得的图像进行这样的标准化处理之后才能分析结果。同样，对于试验数据也需要如此进行标准化处理。要提高分辨率不仅需要分子定位、分布得比较好，还需要分子数目够多，以致能达到尼奎斯特判断法(Nyquist criterion)的要求，即分子间的平均距离要小于显微镜分辨率的一半。虽然上述问题都不会影响SR显微镜的应用，但由于存在这些问题，所以我们应该时刻提醒自己，一定要仔细判读、分析SR显微镜的图像结果，只有这样才能得到有价值的生物学结论。 　　SR荧光显微镜在生物学研究中的应用 　　到目前为止，人们还很难得知，SR荧光显微镜会对生物学界的哪一个领域带来重大变革，但已经有几个领域出现了明显的改变。这些研究领域是动态及静态的细胞组织结构研究领域、非均质分子组织研究领域、蛋白动态组装研究领域等。这几个领域都有一个共同的特点，那就是它们研究的重点都是分子间如何相互作用、组装形成复合物。因此，能在纳米水平观察这些分子对它们来说具有重大的意义。 　　通过观察蛋白质之间的组合关系来了解它们的作用，并能为后续的细胞功能试验打下基础 　　结构生物学研究在这方面已经取得了很大的进展，目前已经发现了4-8纳米大小的分子间相互作用组装成细胞微管、肌丝、中间丝这些超过10微米大小聚合物的机制。不过对于核孔复合体、中心体、着丝点、中间体、粘着斑这些由许多不同蛋白经过复杂的三维组装方式组合起来的复合体，还需要更好的办法来进行研究。目标就是要达到分子水平的分辨率，这样就可以观察大复合体形成过程中的单个分子，也就能对这些分子的化学计量学有所了解了。要得到更多的生物学信息就需要SR显微镜这样的三维成像技术，例如可以使用活体细胞SR成像捕捉细胞骨架的动态重构过程等等。 　　SR成像有助于人们更好地了解分子间的差异 　　细胞膜蛋白组织方式的经典模型已经从随机分布的液态镶嵌模型转变成了脂筏模型、穴样内陷模型或特殊蛋白模型。这种差异与细胞不同功能相关，例如在高尔基体、cargo蛋白和高尔基体酶蛋白之间必须发生相互作用，但最终它们会按照各自的功能分开，发挥各自的作用。有很多试验手段，例如免疫电镜技术、荧光共振能量转移技术(FRET)等都已经被用来研究这种膜不均一性问题了。多色PALM技术(Multicolor PALM)为人们提供了一种新的手段用来观察膜蛋白集合、组织的过程，并且还能定量分析不同蛋白间的空间距离关系。因为有了PALM提供的单分子信息，人们就可以清楚地了解蛋白分子间的空间关系，甚至有可能计算出相隔某一距离的分子之间发生相互作用的可能性。这种方法除了用于研究膜蛋白之外，还能用于许多非随机分布的生物系统研究，例如研究微管上的马达蛋白。 　　SR成像技术还能用于在单分子水平研究蛋白动态组装过程 　　细胞对外界刺激信号的反应起始于胞膜，在胞膜上受体蛋白之间发生动态的集合，用来调节细胞的反应活性。像HIV这种有被膜病毒也是在细胞膜上完成病毒颗粒组装过程的病毒，也是利用了细胞的物质转运机制。尽管现在蛋白组装的物理模型还远远没有完成，但研究人员知道膜蛋白的动态组装过程是不均一的，所以通常使用荧光试验手段很难获得分子水平上的信息。同样，单分子测量技术(Single molecule measurements)也存在着类似的局限，因为单分子测量技术只能观察细胞内的几个分子，所以缺乏整体的信息。因此由于缺乏空间分辨率，很难动态地研究蛋白质组装过程。SR荧光成像技术与活细胞成像技术和单分子示踪技术(sptPALM)结合就能解决这一问题。我们可以借助分子密度准确地看出PALM图像中的蛋白质簇，蛋白质簇动态的统计数据和形态学数据能帮助我们了解蛋白质动态组装的机制。 　　上面只是选了生物学研究中的3个方面来说明SR技术的用途，但这已经很好的展示了我们是如何从Leeuwenhoek最初对于生命组成的假设一步一步走到了今天，使用SR显微镜来证实构成生命体的最基本材料&mdash &mdash 分子的组合过程。STED和PALM的商业化产品已经上市了，这标志着SR显微镜的时代来临了。我们相信SR显微镜在充满创造力的生物学家们手中，一定会充分发挥它的作用，帮助我们发现更多生命的奥秘。 　　原文检索： 　　Jennifer Lippincott-Schwartz & Suliana Manley. Putting super-resolution fluorescence microscopy to work. Nature Methods, 17 December 2008 doi:10.1038/nmeth.f.233