三維平行RESOLFT顯微鏡實現活細胞體積成像

2021-01-19 科學網

三維平行RESOLFT顯微鏡實現活細胞體積成像

作者：

小柯機器人

發布時間：2021/1/14 15:33:11

瑞典皇家理工學院的kIlaria Testa團隊使用三維平行RESOLFT顯微鏡實現活細胞體積成像。相關論文於2021年1月11日在線發表於國際學術期刊《自然—生物技術》。

研究人員報導了一種3D、平行、可逆、可飽和/可切換的光學螢光躍遷（3D pRESOLFT）顯微鏡，其能夠在整個活細胞中提供低於80 nm的3D解析度。通過具有幹擾圖案的高度平行圖像採集，研究人員實現了大視野（約40×40 µm2）的快速（1-2 Hz）採集，從而創建了3D限制且等距間隔的強度最小值陣列。這使得研究人員能夠將可切換的螢光蛋白可逆地轉換為暗態，從而實現了有針對性的3D螢光限制。

研究人員在培養的海馬神經元可塑性期間，可視化了活細胞中細胞器的3D組織和動態以及突觸的體積結構變化。

據了解，闡明細胞內細胞器和分子的體積結構需要在所有三個維度上具有足夠高的空間解析度。當前的方法受到沿光軸的分辨能力不足、記錄時間長以及應用於活細胞成像時光漂白的限制。

附：英文原文

Title: Volumetric live cell imaging with three-dimensional parallelized RESOLFT microscopy

Author: Andreas Bodn, Francesca Pennacchietti, Giovanna Coceano, Martina Damenti, Michael Ratz, Ilaria Testa

Issue&Volume: 2021-01-11

Abstract: Elucidating the volumetric architecture of organelles and molecules inside cells requires microscopy methods with a sufficiently high spatial resolution in all three dimensions. Current methods are limited by insufficient resolving power along the optical axis, long recording times and photobleaching when applied to live cell imaging. Here, we present a 3D, parallelized, reversible, saturable/switchable optical fluorescence transition (3D pRESOLFT) microscope capable of delivering sub-80-nm 3D resolution in whole living cells. We achieved rapid (1–2Hz) acquisition of large fields of view (~40×40μm2) by highly parallelized image acquisition with an interference pattern that creates an array of 3D-confined and equally spaced intensity minima. This allowed us to reversibly turn switchable fluorescent proteins to dark states, leading to a targeted 3D confinement of fluorescence. We visualized the 3D organization and dynamics of organelles in living cells and volumetric structural alterations of synapses during plasticity in cultured hippocampal neurons.

DOI: 10.1038/s41587-020-00779-2

Source: https://www.nature.com/articles/s41587-020-00779-2

相關焦點

  • 三維成像顯微鏡可觀察活細胞
    本文轉自【科技日報】；科技日報特拉維夫6月30日電 （記者毛黎）據當地媒體日前報導，以色列理工大學成功開發出一種新型顯微鏡，能以超高解析度展現活細胞的三維圖像，有望為生物學研究帶來革命性變化。通常，生物學家利用顯微鏡呈現的細胞二維圖像觀察其內部情況，而細胞本身是三維結構，因此二維圖像無疑會丟失部分信息。 迄今為止，人們通過對研究樣本逐層掃描，然後用計算機合成三維圖形的方法來了解物體結構。但逐層掃描過程要求被掃描對象必須在整個過程保持靜止，該局限性表明它不可能用於觀察活細胞。
  • API高分辨活細胞成像系統
    利用活細胞成像工作站進行細胞和基因的功能研究，是生物醫學研究的最新趨勢。固定細胞觀察僅能提供固定瞬間細胞的靜態信息，無法反映細胞在正常生理生化條件下的狀態活細胞觀察，對處於正常生理狀況下的細胞進行全程掃描和記錄，獲得其連續、全面、動態過程。
  • 《自然·納米技術》全息拉曼顯微鏡：3D活細胞追蹤、防偽統統搞定
    儘管這對於需要採集單個光譜的應用（例如生物分子的檢測或定量，有毒汙染物，爆炸物甚至微生物和細胞）的獲取時間可能綽綽有餘，但它完全限制了SERS在化學成像等領域的應用。與寬視野螢光顯微鏡不同，SERS成像仍主要使用掃描共聚焦顯微鏡進行。因此，與可以在幾毫秒到幾秒鐘內獲取快照圖像的螢光顯微鏡相反，SERS成像需要逐點連續記錄，導致獲取時間增加到數小時。
  • 全息拉曼顯微鏡：3D活細胞追蹤、防偽統統搞定
    Alvarez-Puebla等人將「SERS納米粒子的工程設計」和「全息成像技術」相結合，「雙管齊下」，提出了一種新穎的成像方式----全息拉曼顯微鏡。此外，該工作使數字圖像傳播不僅能夠實現對單個圖像不同z位置的多個SERS納米粒子進行3D定位，而且能夠實現在三個維度上定位和跟蹤活細胞內的單個SERS納米粒子。
  • 浙大科學家提出三維光學超分辨成像新方法
    近日，浙江大學光電科學與工程學院劉旭教授和匡翠方教授課題組提出了一種新穎的光學成像技術——多角度幹涉顯微鏡（MAIM），實現了對生物體內活細胞的多色、長時程、高速和三維超分辨成像，為微管、內質網、線粒體和細胞膜等亞細胞器的生物動力學分析提供了有力的研究工具。這項研究發表在知名期刊《自然·通訊》上。
  • Nature Methods:看清活細胞內任何活動的新型成像技術
    生物谷報導：美國麻省理工學院的科學家今天宣布說，運用類似X光CT掃描的方法，他們開發出一種新型成像技術，可在不用螢光標記或其他外加對比試劑的情況下展現活細胞內的任何活動。該技術使人類首次能夠對活體細胞在自然狀態下的各種功能加以研究。
  • ...組研製新型可逆光激活螢光蛋白實現長時間超高解析度活細胞成像
    北京大學生命科學學院、生物動態光學成像中心孫育傑課題組近日成功研製新型可逆光激活螢光蛋白GMars-Q，從而實現了基於並行RESOLFT原理的長時間活細胞超高解析度成像。該項工作近日在國際著名期刊ACS NANO以封面文章發表。
  • 可實時三維成像的雷射掃描立體顯微鏡
    怎樣利用光學顯微鏡窺探其中的奧秘？這是當代生命科學研究對光學顯微成像技術提出的新挑戰。日前，中國科學院西安光機所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室超分辨成像團隊研製成功雙光子激發雷射掃描實時立體顯微鏡。「它可以讓我們像觀看立體電影一樣實時地觀測動態的三維微觀世界，無需光切片，無需耗時的三維圖像重構。」團隊核心成員楊延龍博士如是說。
  • 北大研究團隊開發活細胞成像新技術
    該研究開發了一種全新的活細胞成像技術，利用炔基標記手段並巧妙地應用了受激拉曼顯微成像技術，成功實現了對活細胞的脂類、核酸、蛋白質和糖類等關鍵生物分子的特異性、低幹擾的三維成像，突破了成像標記基團的尺寸極限。
  • 新方法在小鼠和斑馬魚腦中實現高速體積動態成像
    新方法在小鼠和斑馬魚腦中實現高速體積動態成像 作者：小柯機器人 發布時間：2020/8/13 16:43:16 近日，中國科學院神經科學研究所王凱團隊利用共聚焦光場顯微鏡在小鼠和斑馬魚腦中實現高速體積動態成像
  • 南理工學生團隊打破國外壟斷 新一代無透鏡全息顯微鏡面市
    中國江蘇網訊 觀察細胞通常需要染色標記，無法同時實現大視場、高分辨觀測，加之體積龐大、成本高昂，是當今顯微鏡存在的三大痛點。在第五屆「網際網路+」大學生創新創業比賽獲金獎的隊伍中，一支來自南京理工大學的學生團隊研製出的新一代無透鏡全息顯微鏡，突破了上述痛點，打破了國外的技術壟斷。
  • 可重構的編碼非相干光片陣列實現並行螢光體成像
    通過編碼調製單元，對每片光片加載特定的調製頻率，實現對照明光編碼，二維圖像傳感器獲取的螢光圖像序列包含樣品的三維信息，對螢光數據解碼即可實現三維螢光成像。所研製的顯微鏡具有無掃描以及非相干光照明等特點，在器官三維結構、發育生物學、植物生理等需要低損傷的領域具有廣泛的應用前景。
  • 超分辨螢光輔助衍射層析成像揭露細胞器相互作用全景
    其中，光學衍射層析成像模態首次實現了活細胞內線粒體、脂滴、核膜、染色體、內質網及溶酶體等多種亞細胞結構的同時高速三維成像。在雙模態系統對活細胞的觀察中，他們發現了一種新的亞細胞結構，命名為「黑色液泡小體」，並對其在細胞代謝過程中的作用進行了研究。這一雙模態成像方法在細胞生物學研究及生物醫學成像領域有著廣泛應用前景。
  • 這個學生團隊造出新型無透鏡全息顯微鏡
    這種新一代無透鏡全息顯微鏡打破國外在該領域的壟斷，成本僅為同類產品的百分之一。團隊負責人、博士研究生盧林芃介紹，傳統顯微鏡鏡頭受到「物鏡比例法則」的制約，大視場和高解析度不可兼得。「CyteLive」拋棄了傳統顯微鏡的光學鏡頭，只保留光源和傳感器，實現了小型化和輕量化，單手即可託起。「它的體積僅有傳統顯微鏡的0.8%，可直接內置於培養箱裡觀察活細胞。」
  • 新一代螢光顯微鏡可輕鬆實現超分辨成像
    近年來，隨著活細胞體系單分子螢光成像技術的發展，膜蛋白單分子研究，特別是受體動力學的研究，已成為目前單分子研究領域中最活躍的研究方向之一。近幾年發展起來的超分辨成像技術因其能夠突破光學衍射極限，而比傳統光學顯微鏡具有更高的解析度和更高的定位精度。
  • 南京理工大學學生團隊研製出新型無透鏡全息顯微鏡
    這種新一代無透鏡全息顯微鏡打破國外在該領域的壟斷，成本僅為同類產品的百分之一。團隊負責人、博士研究生盧林芃介紹，傳統顯微鏡鏡頭受到「物鏡比例法則」的制約，大視場和高解析度不可兼得。「CyteLive」拋棄了傳統顯微鏡的光學鏡頭，只保留光源和傳感器，實現了小型化和輕量化，單手即可託起。
  • 南京理工大學學子創造出中國人自己的新一代顯微鏡
    觀察細胞通常需要染色標記，無法同時實現大視場、高分辨觀測，體積龐大、成本高昂，是當今顯微鏡存在的三大痛點。如何突破痛點，打破德日壟斷，創造出中國人自己的新一代顯微鏡？
  • 科學家首次實現活細胞RNA標記與無背景成像
    華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室的楊弋、朱麟勇等教授歷經7年合作研究，在螢光RNA及活細胞RNA成像領域獲突破性進展。他們原創的系列高性能螢光RNA，在國際上首次實現了不同種類RNA在動物細胞內的螢光標記與無背景成像。11月5日，該成果以封面論文形式發表於《自然—生物技術》。螢光蛋白標記技術是蛋白質研究的巨大助力，其研究在2008年曾獲得諾貝爾獎。
  • 金屬所等實現晶界三維原子結構成像
    雖然透射電子顯微技術的發展已將材料研究推進到亞埃尺度，但是由於晶界結構本身的複雜性以及傳統透射電鏡二維投影成像模式的限制，人們對實際晶體材料中的晶界結構的認知極其有限。因此，從實驗上實現晶界三維原子結構成像對深入認識晶界具有重要意義。目前，傳統透射電子顯微技術（包括透射成像或掃描透射成像）可以對百納米厚度的樣品進行形貌和原子結構的投影成像。
  • 新型X射線顯微鏡技術全腦高解析度快速成像
    這種高解析度的單細胞水平的圖譜可在闡明大腦功能中實現「精準定位」。 電子顯微鏡具有納米級別的超高解析度,但是獲得即使很小的神經環路的三維圖像也需要收集數百萬張圖片,耗費大量的時間。光學顯微鏡成像速度快,但是空間解析度不高。