斯坦福大学的研究人员创造了一种强大的新型成像系统，能够以非凡的JianCe度揭示活细胞的内部运作。通过结合两种先进的显微技术，该仪器实现了约120纳米的分辨率，对于一种不需要荧光标记的方法来说，这是前所未有的细节水平。
这项被称为干涉图像扫描显微镜（iISM）的技术，使得同时观察多个细胞结构的运动、变化及其对周围环境的反应成为可能。科学家们还可以研究细胞在遇到药物或致病微生物时会发生什么，从而有可能揭示那些一直难以研究的生物学过程。
这一突破发表在自然出版集团（Nature portfolio）期刊《光：科学与应用》（Light: Science and Applications）上，可能会推动癌症研究、药物开发、传染病研究以及植物与微生物相互作用研究的发展。
“这种新型显微镜为观察细胞提供了一个奇妙的新视角，你可以看到细胞内的微小结构和机器在移动、变化和相互作用，而无需添加荧光来观察它们，”资深作者、斯坦福大学人文与科学学院Harry S. Mosher化学教授W.E. Moerner说。“这是对驱动我们生命的这些复杂小细胞盒子的精彩一瞥。”
无需荧光标记观察活细胞内部
这种新型显微镜最重要的优势之一是能够在不依赖荧光标记物的情况下揭示细胞活动。
许多现有的显微技术使用荧光物质来突出显示细胞内的特定结构。尽管这些方法已经改变了生物学研究，但它们也存在局限性。研究人员通常一次只能标记少量结构，这使得观察不同组分在整个细胞中如何相互作用变得困难。
荧光信号在观察过程中也会通过一种被称为光漂白的过程而衰减。此外，引入标记物可能具有挑战性，而且某些标记物可能会改变科学家想要研究的结构本身的行为。
斯坦福大学的系统通过在不使用荧光标记的情况下对细胞进行成像来避免这些问题。这使得研究人员能够在更自然的环境中观察细胞活动的同时，长时间追踪大量细胞组分。
另一个优势是，与产生高对比度图像的同类无标记方法相比，iISM所需的照明功率要少得多。较低的光照减少了光损伤的可能性，光损伤是指用于成像的光损害活细胞或干扰其正常功能的现象。
尽管其他专用显微镜可以实现更高的分辨率，但详细成像、温和照明和长时间观察的结合，使得iISM在研究活体生物系统方面具有特别的价值。
研究人员强调，他们的技术旨在补充而不是取代荧光显微镜。
第一作者、Moerner实验室的博士后Michelle Kueppers解释说，结合不同成像方法的优势可以帮助科学家回答以前无法解决的问题。
“每种方法都有其优缺点，我们相信未来会实现互补应用，”Kueppers说。“如果我们利用荧光在分子特异性方面的优势，以及iISM在无标记背景和动力学方面的优势，我们就能真正开始解决以前难以解决的问题。”
新型显微镜如何实现前所未有的细节
这一突破来自于将两种不同的显微技术结合在一起，每种技术都有其自身的优势。
Moerner因对超分辨率荧光显微镜的开创性贡献而获得2014年诺贝尔化学奖。他专门将Kueppers招募到斯坦福大学，是因为她的博士研究涉及一种名为“干涉散射显微镜”的技术。
这种方法依赖于光的一个常见特性：散射。
当光遇到微小颗粒时，其方向会发生改变。同样的基本现象解释了为什么天空看起来是蓝色的。当阳光穿过地球大气层时，分子、灰尘和水滴会散射其不同波长的光。较短的蓝色波长比较长的红色波长散射更强，从而产生了我们头顶看到的蓝色。
干涉散射显微镜在更小的尺度上利用了这一行为。
激光照射细胞，使其内部的微小结构散射部分入射光。由于散射信号极其微弱，因此使用第二束激光通过干涉将其放大，使显微镜能够检测到原本难以观察的结构。
斯坦福大学的研究团队通过将其与改编自先进共聚焦显微镜的技术相结合，改进了这种方法。
传统的共聚焦显微镜使用一个称为针孔的小开口和单个探测器来分离来自选定区域的光。更先进的版本用基于相机的探测器阵列取代了这种装置，能够收集同一区域的多个视图。
研究人员将阵列探测器整合到他们的新型显微镜中，使其能够比围绕针孔和单个探测器构建的传统系统收集更多的光。
数百个视图合成为一张更JianCe的图像
收集多个视角的优势类似于人类视觉的工作方式。
我们的两只眼睛从稍微不同的位置观察世界，帮助大脑区分附近的物体和较远的物体。斯坦福大学的显微镜使用了相关的原理，但它不是仅仅依靠两个视角，而是其探测器阵列收集数十到数百个视图。
研究人员开发了一种计算方法，将这些测量结果结合起来，生成具有更高JianCe度、对比度、深度信息和精度的图像。
通过融合干涉散射显微镜和先进探测器阵列的优势，该团队创造了一种能够分辨小至约120纳米结构的仪器。
从直观角度来看，一纳米是十亿分之一米。在这个尺度上，研究人员可以检查极小的细胞结构，并追踪它们的运动和相互作用。
至关重要的是，该显微镜在不牺牲成像速度或不需要强激光照明的情况下实现了这一分辨率。因此，科学家可以更长时间地观察活细胞，同时将干扰或损坏细胞的风险降至最低。
从癌症药物到疟疾：研究的新可能性
Moerner和Kueppers正在继续改进该仪器，目标是最终使其能供生物学许多领域的科学家使用。
与其他斯坦福研究组的三项合作已经在进行中或正在开发中，这证明了该技术可以帮助调查的问题范围。
一个项目使用该显微镜实时观察植物细胞、真菌和细菌之间的相互作用。通过实时观察这些生物的相互作用，研究人员希望对植物与微生物之间的复杂关系有更JianCe的了解。
另一项合作专注于癌症治疗。科学家们正在使用iISM研究癌症药物如何进入细胞，这可能会提供关于药物如何与其靶点相互作用的有价值信息。
第三个项目仍处于规划阶段，将研究红细胞在暴露于疟疾感染时如何改变形状。观察这些物理变化可能为该疾病如何影响血细胞提供新的见解。
这些应用说明了为什么研究人员相信他们的显微镜可以成为跨越众多科学学科的有用工具，而不仅仅是服务于狭窄的研究领域。
“这不是一种小众技术，”Kueppers说。“它具有广泛的应用，我们希望它能很好地服务于生命科学界，带来许多新发现。”