定格细胞活动时间揭示生命的最快奥秘

如今，在发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）的一篇文章中，大阪大学的研究人员与协作机构共同揭示了一种冷冻光学显微镜技术。该技术能在细胞动态活动的精确选定时间点捕获高分辨率、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，以空间细节和可量化性捕捉快速动态细胞事件一直是个重大挑战。在光子有限且仅有昏暗、嘈杂图像的情况下，空间和时间上的重要特征会在噪声中丢失。

"我们决定不追求成像速度，而是冻结整个场景，"主要作者之一的辻浩介解释道。"我们开发了一个特殊的样本冷冻室，结合了活细胞显微镜和冷冻固定显微镜的优势。通过在光学显微镜下快速冷冻活细胞，我们得以高分辨率观察细胞动态的冻结快照。"

例如，该团队冻结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冻结波进行了三维观察——该技术因成像采集速度慢通常无法观测快速细胞动态。

"这项研究始于一个大胆的视角转变：在光学成像过程中中止动态细胞过程，而非费力追踪其运动。我们相信这将作为一种强大的基础技术，为生命科学和医学研究提供新见解，"资深作者藤田胜昌表示。主要作者之一山中雅人补充道："我们的技术通过瞬时冷冻保留了活细胞的空间和时间特征，使我们能够详细观察其状态。在细胞固定期间，我们可以利用机会使用各种光学显微镜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准确性。通过冷冻标有荧光钙离子探针的细胞，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，从而显著提高测量精度。

为在精确定义的瞬间捕捉瞬态生物事件，研究人员整合了电触发冷冻剂喷射系统。配合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。这使得团队能够以前所未有的时间精度捕获瞬态生物过程。

最后，团队将注意力转向结合不同成像技术——这些技术往往难以在时间上对齐。通过近乎瞬时的样本冷冻，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，团队在同一冷冻固定细胞上结合了自发拉曼显微镜和超分辨率荧光显微镜。这使他们能在完全相同的时刻从多个视角观察复杂的细胞信息。

这项创新为观察快速、瞬态的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。