新的成像方法可以實時了解細胞的工作原理

例如，通過結合兩種顯微鏡方法，EPFL 研究人員能夠同時觀察細胞內部和細胞膜上發生的情況，從而對感染期間發生的細胞過程提供前所未有的洞察力。

細胞是生物體的基本組成部分，是許多復雜生物現象的宿主。研究人員需要能夠詳細研究這些現象，以了解某些類型的障礙和疾病，然后開發有效的治療方法。但在微米或納米尺度上有效地觀察活細胞仍然是一個挑戰。通過結合兩種不同的顯微鏡方法，來自兩個不同實驗室的 EPFL 研究人員共同開發了一個系統，該系統可用于以無與倫比的精度觀察活細胞的活動。他們的發現發表在兩篇文章中：一篇于 7 月發表在Nature Communications 上，另一篇于今天發表在ACS Nano 上。

EPFL 生物和納米儀器實驗室 (LBNI) 負責人 Georg Fantner 說：“目前可用的方法在如此精細的水平上觀察活細胞存在許多技術挑戰。” “像電子顯微鏡這樣的技術可以在納米尺度上獲得無與倫比的細胞表面分辨率，但它需要將樣品置于真空下并用電子轟擊它們。活生物體根本無法在這種處理中存活下來。另一種常見的方法是熒光顯微鏡。盡管它可以讓“你在不破壞樣品的情況下觀察樣品，很難有足夠的分辨率來解析細胞的三維表面。此外，所需的光子劑量會導致細胞損傷。”

因此，EPFL 研究人員決定結合兩個互補的顯微鏡來觀察細胞表面和內部分子活動，這對活細胞的侵入性微乎其微。他們將隨機光學波動成像 (SOFI) 與掃描探針顯微鏡相結合，可用于觀察細胞內發生的目標分子和現象(或更具體地說，掃描離子電導顯微鏡——SICM)。掃描探針顯微鏡通常涉及用探針尖端直接接觸細胞樣本，以顯示其表面并繪制其地形圖。然而，樣品和尖端之間的機械接觸不利于觀察活細胞，因為它會干擾細胞的自然狀態。因此，EPFL 團隊開發了一種顯微鏡，其中物理探針被玻璃納米孔所取代，該玻璃納米孔可測量離子流以在不接觸的情況下檢測細胞表面。

一切都與互動有關

將這兩種方法結合起來，為前所未有的科學觀察鋪平了道路。雖然熒光顯微鏡為研究人員提供各個單元內部的偷看，掃描離子電導顯微鏡讓他們產生細胞膜的三維地形圖像。因此，EPFL 系統使研究人員能夠同時查看細胞的內部和外部，讓他們深入了解這兩個不同地方同時發生的現象之間的聯系。

“細胞膜是它與周圍環境相互作用的地方，”Samuel Mendes Leitão 博士說。開發 SICM 顯微鏡的 LBNI 學生。“這是許多生物過程和形態變化發生的地方，比如在細胞感染期間。我們的系統讓研究人員分析細胞內的分子排列，并繪制出它們如何與膜動力學相關聯。此外，我們現在可以非常詳細地跟蹤這些動力學的時間亞秒到幾天的范圍。能夠在納米尺度上長時間連續成像是活細胞顯微鏡的主要挑戰之一，因為細胞對小擾動非常敏感。”

增強的圖像質量

Vytautas Navikas，博士 EPFL 納米級生物學實驗室 (LBEN) 的學生開發了該系統的光學組件：“將這兩種方法結合起來的另一個好處是它令人難以置信地提高了圖像質量。我們現在可以以更高的分辨率觀察細胞過程。”

EPFL 團隊認為，他們的系統可用于觀察細胞運動、分化和細胞間通訊等現象，開辟了許多新的研究途徑。它在感染生物學、免疫學和神經生物學領域可能非常有用——在這些領域，了解細胞如何對外部刺激實時做出反應非常重要。

這項研究也是當來自兩個不同 EPFL 實驗室的研究人員接觸并匯集他們的專業知識以追求共同目標時可能發生的突破類型的一個很好的例子。