成像技术允许可视化整个细胞内的纳米级结构

自从 350 年前罗伯特·胡克在 Micrographia 中首次描述细胞以来，显微镜在理解生命规律方面发挥了重要作用。然而，最小的可分辨特征，即分辨率，受到光的波动性的限制。这一百年历史的障碍限制了对细胞功能、相互作用和动力学的理解，特别是在亚微米到纳米尺度上。

超分辨率荧光显微镜克服了这一基本限制，分辨率提高了十倍，并使科学家能够以前所未有的空间分辨率可视化细胞和生物分子的内部运作。

然而，当观察全细胞或组织样本时，例如在癌症或大脑研究中经常分析的样本，这种分辨能力会受到阻碍。从样本内部的分子发出的光信号以不同的速度穿过细胞或组织结构的不同部分，并导致像差，从而使图像质量下降。

现在，普渡大学的研究人员开发了一种新技术来克服这一挑战。

“我们的技术使我们能够直接从单个分子(附着在感兴趣的细胞结构上的微小光源)产生的信号中测量由样本(细胞或组织)引起的波前畸变，”研究助理教授黄方说。普渡大学工程学院生物医学工程专业。“通过了解引起的变形，我们可以高精度和准确地确定单个分子的位置。我们获得了细胞或组织体积内单个分子的数千到数百万个坐标，并使用这些坐标来揭示样本成分的纳米级结构。 ”

Purdue 团队的技术最近发表在Nature Methods 上。

“在三维超分辨率成像期间，我们记录了数千到数百万个单个荧光分子的发射模式，”黄实验室的博士后研究员、该出版物的共同第一作者范旭说。“这些发射模式可以被视为在不同轴向位置的随机观测，从描述不同深度的这些发射模式的形状的基础 3-D 点扩展函数采样，我们的目标是检索。我们的技术使用两个步骤：分配和更新，以从记录的单分子数据集中迭代检索波前失真和 3-D 响应，其中包含任意位置的分子发射模式。”

Purdue 技术允许在整个细胞和组织内以低至几纳米的精度找到生物分子的位置，因此以高分辨率和保真度解析细胞和组织结构。

“这一进步将超分辨率显微镜的常规适用性从盖玻片附近的选定细胞靶标扩展到组织深处的细胞内和细胞外靶标，”黄实验室的博士后研究员、该出版物的共同第一作者马东汉说。 . “这种新发现的可视化能力可以让我们更好地了解阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病，以及影响大脑和身体各个部位的许多其他疾病。”

国立卫生研究院为这项研究提供了主要支持。

研究团队的其他成员包括印第安纳大学医学院教授 Gary Landreth;Sarah Calve，普渡大学工程学院生物医学工程副教授(现任科罗拉多大学博尔德分校机械工程副教授);哈佛医学院教授彭寅;和普渡大学生物科学助理教授亚历山大·丘比金。完整的作者名单可以在Nature Methods 中找到。

“这项技术进步令人震惊，将从根本上改变我们评估阿尔茨海默病病理特征的精度，”兰德雷斯说。“我们能够看到越来越小的物体以及它们之间的相互作用，这有助于揭示我们以前没有意识到的结构复杂性。”

Calve 说，这项技术是再生疗法的进步，有助于促进体内修复。

“这一发展对于理解组织生物学和能够可视化结构变化至关重要，”卡尔夫说。

Chubykin 的实验室专注于自闭症和影响大脑的疾病，他说高分辨率成像技术为了解大脑损伤提供了一种新方法。

“这是功能和结构分析方面的巨大突破，”丘比金说。“我们可以看到更详细的大脑视图，甚至可以用遗传工具标记特定神经元以供进一步研究。”

该团队与普渡研究基金会技术商业化办公室合作，为该技术申请专利。该办公室最近搬进了位于探索公园区的创新与合作融合中心，毗邻普渡大学校园。

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