科学家开发出一种开创性的冷冻光学显微镜技术，可在细胞活动过程中冷冻活细胞，从而捕捉快速生物过程的超详细快照。通过在精确时刻快速固定细胞，研究人员克服了传统活细胞成像的局限，能够更清晰地观察心肌细胞钙离子波等瞬时事件。
目前，在《光：科学与应用》(Light: Science & Applications)上发表的一篇论文中，大阪大学的研究人员与协作机构共同揭示了一种低温光学显微技术，该技术能在动态细胞活动的精确选定时间点获取高分辨率、定量准确的快照。由于时间分辨率与"光子预算"（即图像可收集的光量）之间存在根本性的权衡，捕获具有空间细节和可量化性的快速动态细胞事件一直是一项重大挑战。在光子有限且图像昏暗、噪声大的情况下，空间和时间上的重要特征都会湮没在噪声中。
"我们决定不再追求成像速度，而是冻结整个场景，"其中一位通讯作者Kosuke Tsuji解释道。"我们开发了一种特殊的样本冷冻室，将活细胞显微技术与低温固定显微技术的优势相结合。通过在光学显微镜下快速冷冻活细胞，我们得以在高分辨率下观察细胞动力学的冷冻快照。"
例如，该团队冷冻了活体心肌细胞中的钙离子波传播。随后使用超分辨率技术对这个细节复杂的冷冻波进行了三维观测——这种技术因成像采集速度慢而通常无法观察快速细胞动力学。
"这项研究始于视角的大胆转变：在光学成像过程中暂停动态细胞过程，而非费力追踪其运动状态。我们相信这将成为一个强大的基础技术，为生命科学和医学研究提供新见解，"资深作者Katsumasa Fujita表示。另一位通讯作者Masahito Yamanaka补充道："我们的技术通过瞬时冷冻同时保留了活细胞的空间和时间特征，使得详细观察其状态成为可能。在细胞固定期间，我们可以利用多种光学显微工具进行高精度定量测量。"
研究人员还展示了该技术如何提高量化精度。通过冷冻用荧光钙离子探针标记的细胞，他们能够使用比活细胞成像实际可行时间长1000倍的曝光时间，从而显著提高了测量精度。
为了在精确定义的时刻捕获瞬态生物事件，研究人员集成了电触发低温冷冻剂喷射系统。通过紫外光刺激诱导钙离子波，该系统能以10毫秒的精度在事件开始后的特定时间点冻结钙离子波。这使团队能够以前所未有的时间精度暂停瞬态生物过程。
最后，该团队将注意力转向结合不同成像技术（这些技术通常在时间上难以同步）。通过近乎瞬时地冷冻样本，现在可以顺序应用多种成像模式而无需担心时间失配。研究中，他们在同一低温固定细胞上结合了自发拉曼显微术和超分辨率荧光显微术。这使他们能够在完全相同时刻点从多个视角观察复杂的细胞信息。
这项创新为观测快速瞬态细胞事件开辟了新途径，为研究人员探索动态生物过程的潜在机制提供了强大工具。