多功能平台聚焦扫描微区射线光仪

激光共聚焦扫描显微镜简介一、 激光共聚焦显微镜的基本组成激光扫描共聚焦显微镜(laser scanning confocal microscope LSCM)是20世纪80年代发展起来的一项具有划时代意义的高科技新产品，是当今世界最先进的细胞生物学分析仪器。激光共聚焦显微镜利用激光作为光源，在传统光学显微镜基础上采用共轭聚焦的原理和装置，以及通过针孔的选择和PMT的收集，并带有一套对其所观察到的对象进行数字图像分析处理的系统软件。与传统光学显微镜相比，它具有更高的分辨率，实现多重荧光的同时观察并可形成清晰的三维图象等优点。所以它问世以来在生物学的研究领域中得到了广泛应用。激光共聚焦显微镜主要有四部分组成：1、显微镜光学系统。2、扫描装置。3、激光光源。4、检测系统。整套仪器由计算机控制，各部件之间的操作切换都可在计算机操作平台界面中方便灵活地进行。1.1 显微镜光学系统　　显微镜是LSCM的主要组件，它关系到系统的成象质量。显微镜光路以无限远光学系统可方便地在其中插人光学选件而不影响成象质量和测量精度。物镜应选取大数值孔径平场复消色 差物镜，有利于荧光的采集和成象的清晰。物镜组的转换，滤色片组的选取，载物台的移动调节，焦平面的记忆锁定都应由计算机自动控制。1.2 扫描装置　　LSCM使用的扫描装置在生物领域一般为镜扫描。由于转镜只需偏转很小角度就能涉及很大的扫描范围，图象采集速度大大提高，512×512画面每秒可达4帧以上，有利于那些寿命短的离子作荧光测定。扫描系统的工作程序由计算机自动控制。1.3 激光光源　　LSCM使用的激光光源有单激光和多激光系统。多激光器系统在可见光范围使用多谱线氩离子激光器，发射波长为457nm、488nm和514nm的蓝绿光，氦氖绿激光器提供发射波长为543nm的绿光，氦氖红激光器发射波长为633nm的红光，新的405nm半导体激光器的出现可以提供近紫外谱线，但是小巧便宜而且维护简单。1.4 检测系统　　LSCM为多通道荧光采集系统，一般有三个荧光通道和一个透射光通道，能升级到四个荧光通道，可对物体进行多谱线激光激发，样品发射荧光的探测器为感光灵敏度高的光电倍增管PMT，配有高速12位A/D转换器，可以做光子计数。PMT前设置针孔，由计算机软件调节针孔大小，光路中设有能自动切换的滤色片组，满足不同测量的需要,也有通过光栅或棱镜分光后进行光谱扫描功能的设置。二、激光共聚焦显微镜的特点以及在生物领域的应用传统光学显微镜相比，激光共聚焦显微镜具有更高的分辨率，实现多重荧光的同时观察并可形成清晰的三维图象等优点，在对生物样品的观察中，激光共聚焦显微镜有如下优越性：1、对活细胞和组织或细胞切片进行连续扫描，可获得精细的细胞骨架、染色体、细胞器和细胞膜系统的三维图像。2、 可以得到比普通荧光显微镜更高对比度、高解析度图象、同时具有高灵敏度、杰出样品保护。3、***图象的获得，如7 维图象(XYZaλIt): xyt 、xzt 和xt 扫描,时间序列扫描旋转扫描、区域扫描、光谱扫描、同时方便进行图像处理。 4、细胞内离子荧光标记，单标记或多标记，检测细胞内如PH和钠、钙、镁等离子浓度的比率测定及动态变化。5、荧光标记探头标记的活细胞或切片标本的活细胞生物物质，膜标记、免疫物质、免疫反应、受体或配体，核酸等观察；可以在同一张样品上进行同时多重物质标记，同时观察； 6、对细胞检测无损伤、精确、准确、可靠和优良重复性；数据图像可及时输出或长期储存。 由于共聚焦显微镜的以上优点，激光共聚焦显微镜在以下研究领域中应用较为广泛：1、细胞生物学：如：细胞结构、细胞骨架、细胞膜结构、流动性、受体、细胞器结构和分布变化、细胞凋亡机制；各种细胞器、结构性蛋白、DNA、RNA、酶和受体分子等细胞特异性结构的含量、组分及分布进行定量分析；DNA、RNA含量、利用特定的抗体对紫外线引起的DNA损伤进行观察和定量；分析正常细胞和癌细胞细胞骨架与核改变之间的关系；细胞黏附行为等 2、生物化学：如：酶、核酸、受体分析、荧光原位杂交、杂色体基因定位等，利用共聚焦技术可以取代传统的核酸印迹染交等技术，进行基因的表达检测，使基因的转录、翻译等检测变的更加简单、准确。3、药理学：如：药物对细胞的作用及其动力学；药物进入细胞的动态过程、定位分布及定量 4、生理学、发育生物学：如：膜受体、离子通道、离子含量、分布、动态；动物发育以及胚胎的形成，骨髓干细胞的分化行为；细胞膜电位的测量.荧光漂白恢复（FRAP）、荧光漂白丢失（FLIP）的测量等。 5、遗传学和组胚学：如：细胞生长、分化、成熟变化、细胞的三维结构、染色体分析、基因表达、基因诊断； 6、神经生物学：如：神经细胞结构、神经递质的成分、运输和传递； 7、微生物学和寄生虫学：如：细菌、寄生虫形态结构； 8、病理学及病理学临床应用：如：活检标本的快速诊断、肿瘤诊断、自身免疫性疾病的诊断； 9、免疫学、环境医学和营养学。如：免疫荧光标记（单标、双标或三标）的定位，细胞膜受体或抗原的分布,微丝、微管的分布、两种或三种蛋白的共存与共定位、蛋白与细胞器的共定位；对活细胞中的蛋白质进行准确定位及动态观察可实时原位跟踪特定蛋白在细胞生长、分裂、分化过程中的时空表达，荧光能量共转移（FRET）。

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

激光扫描共聚焦显微镜还能这么用！　　众所周知，激光共聚焦显微镜主要的应用方向在观察活细胞结构及特定分子、离子的生物学变化，而在石笋这样的样品观察上使用激光扫描共聚焦显微镜，可以说脑洞大开了！让我们来看看原文，从Nikon A1激光扫描共聚焦显微镜使用者的角度看看，怎么把这个工具用活了！　　激光扫描共聚焦显微镜在古气候纹层学的应用　　第一作者：赵景耀　通讯作者：程　海　　1984年第一台商业化的激光扫描共聚焦显微镜（Laser Scanning Confocal Microscope，简称 LSCM）出现，随之共聚焦显微镜技术成为了一个热点，并广泛应用在国内外生物和工业检测领域。现今，我们将LSCM首次应用于国内古气候纹层学研究。纹层学一直是古气候研究重要内容，特别是荧光微层在很多古气候载体中是重要的年代标尺和气候指标。2000年，Ribes等首次将LSCM应用于石笋荧光微层研究，发现LSCM分辨率可达１μｍ，因此，可适用于各种不同厚度的石笋年纹层；2008年，Orland等将LSCM与离子探针采样结合，首次发现了石笋δ18O的季节性信号，并表示以色列Soreq Cave单层δ18O季节波动可达2.15‰；2010年，Dasgupta等通过LSCM识别石笋纹层中的碎屑和粘土层，据此重建了美国明尼苏达州过去3000年极端暴雨事件，发现20世纪全球升温以来，其暴雨频率明显增加；2015年，Wendt利用LSCM，在巴西TBV Cave石笋纹层中发现了罕见的“双纹层”，且均出现在高生长速率的Heinrich事件期间，认为这与Heinrich期间，Intertropical Convergence Zone（ITCZ）南支南移所导致一年内存在2个雨季有关；2015年，Orland等再次将LSCM与离子探针技术应用于中国苦栗树洞石笋研究，发现全新世和B?lling-Aller?d暖期的夏季降水比例明显多于Younger Dryas时期。而目前，国内主要依赖于普通透射光和荧光显微镜，这一定程度上限制了国内古气候学研究。笔者在西安交通大学机械制造系统工程生物制造中心，利用购置的LSCM组件（图1a），观察石笋“年纹层”和砗磲“天纹层”，取得初步认识，以下分别就LSCM及其在古气候荧光微层方面的应用及注意事项作一简介。　　图1　激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）组件（a）及其原理（b）　　1.倒置荧光显微镜（Inverted fluorescence microscope）；2.荧光探测器（Flurescence detector）；3.激光发生器（Laser generator）；4.LSCM总控制器（Main controller）；5.扫描头（Head of laser scanner）；6.明场及电动载物台开关（Switch of bright-field microscopy and electric stage）；7.．荧光光源开关（Switch of fluorescent source）；8.电动载物台（Electric stage）；9.LSCM连接电脑（Computer and Monitor）　　LSCM以激光为点光源，由照明针孔与探测针孔对被探测点的共轭关系（图1b），实现对被探测点所在焦面的逐点激发，逐点扫描，该技术称为共聚焦。与普通荧光显微镜一次性照明整个视野不同，LSCM通过逐点扫描探测，呈现标本荧光层的2维或3维图像（图2），因此其对不同焦点和焦面的辨析能力，是普通荧光显微镜所不能达到的。其中，图2a中3D切片z轴步进间距（即焦面间距）为3μｍ，当前仪器上限25nm（仪器型号：Nikon A1）。在LSCM标本纹层成像过程中，放置于探测器前的探测针孔（Pinhole）（图1b）起着关键作用，有效地阻挡了不同焦点带来的杂散光，只有被探测点所发射的荧光透过Pinhole，到达探测器形成图像，这对图像对比度和分辨率有重要影响（图2）。而且LSCM采用光电倍增技术，可将微弱荧光信号进一步放大。综上，利用LSCM可以真正地实现10μｍ级荧光纹层的清晰辨别，其分辨率和辨识度是普通荧光显微镜所不能实现的，在此基础我们可以观察并辨别10μｍ左右石笋“年纹层”（图2d）和3~5μｍ级别砗磲“天纹层”（图2e）。　　图2　石笋荧光层3D切片拟合（a）、石笋荧光“年纹层”（b、c和d）和砗磲荧光“天纹层”（e）　　所有图像在1024扫描分辨率下，利用波长为488-nm的蓝色激光作为激发光源激发，然后用荧光滤光片滤选发射波长为505~539nm绿色发射光，最终被检测器探测并扫描成像；图片（a）由LSCM连续拍摄31层平行荧光焦面拟合而成，3μm／层；石笋样品（a）和（c）取自湖北省犀牛洞，（b）取自南京葫芦洞，（d）取自吉林省琉璃洞；（e）砗磲取自中国南沙群岛永暑礁　　不同于普通光学显微镜，通过制作极薄的显微镜[url=http://www.gengxu.cn]滤光片[/url]（≤１mm）实现对于杂散光或荧光焦面的控制。LSCM装配倒置荧光显微镜直接对古气候标本切面观察，源于LSCM对不同焦面荧光信号的精准解析和辨别能力，对于石笋和砗磲等古气候标本，无需制作显微镜薄片，只需将样品切面抛光磨平，即可实现对抛光表面荧光微层和透光微层定焦高分辨率扫描。LSCM极大地简化标本处理，不仅能够更好地节约和保护标本，且能和其他分析（如稳定同位素分析）在同一样品上进行，有利于精细对照，对于古气候研究有重要意义。例如，最近Li等在其他方法精确定年困难的情况下，利用LSCM方法精确确定了近百年石花洞的石笋样品年代序列；对著名的南京葫芦洞样品的初步工作显示，将能够重建上个冰期精细到年的时间序列及气候变化的变率（图2b），而又不破坏极其珍贵的样品。　　但是由于LSCM以激光作为光源，在镜下观察过程中发现，根据物镜倍数（10×、20×、40×、60×和100×）不同，导致激光聚光强度不同，会出现不同程度的荧光猝灭，对于常用倍数10×和20×，荧光猝灭微弱，肉眼无法识别，可忽略。但是在60×油镜及以上倍数，荧光猝灭快速，因此在使用过程中，要注意调焦与拍摄时间的平衡。另外，计算机对焦过程是纳米级对焦，在标本前期处理过程中，保证样品观察面平整，是快捷对焦、自动扫描和拼接大图的工作基础。对于目前使用的型号Nikon A1，由于LSCM电动载物台承重和规格限制，以及明场聚光器位置限制（图1a），要求古气候标本观察面≤６cm×６cm，厚度≤５cm，但可根据需要选择不同型号的载物台。最后，由于各种LSCM在许多研究机构和医学院都具备，且使用费用不高，因此进行该研究不必购置新设备。