作為*位獲美國(guó)麥克阿瑟基金會(huì)“天才獎(jiǎng)”的華人女科學(xué)家，莊小威教授獲得了許多重要成果，尤其是在生物物理顯微成像領(lǐng)域，近期莊小威教授發(fā)表了題為“Breaking the Diffraction Barrier: Super-Resolution Imaging of Cells”，描述了超分辨率細(xì)胞成像的進(jìn)展。

傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡受限于光的波長(zhǎng)，對(duì)于200nm以下的小東西只能搖頭興嘆。雖然電子顯微鏡可以達(dá)到納米級(jí)的分辨率，但通電的結(jié)果容易造成樣品的破壞，因此能觀測(cè)的樣本也相當(dāng)有限。分子生物學(xué)家雖然可以做到把若干想觀察的蛋白質(zhì)貼上熒光卷標(biāo)，但這些蛋白質(zhì)還是經(jīng)常擠在一塊，在顯微鏡下分不出誰(shuí)是誰(shuí)。

這幾年高分辨率熒光顯微鏡跨越了一大步，使得研究者可以從納米級(jí)觀測(cè)細(xì)胞突起的伸展，從而宣告200—750納米大小范圍的模糊團(tuán)塊的時(shí)代結(jié)束了。比如利用光敏定位顯微鏡：PALM可以用來(lái)觀察納米級(jí)生物，相較于電子顯微鏡有更清晰的對(duì)比度，如果給不同蛋白接上不同的熒光標(biāo)記，就能用來(lái)進(jìn)一步研究蛋白質(zhì)間的相互作用。

莊小威研究組一直在研究如何用光敏開(kāi)關(guān)探針來(lái)實(shí)現(xiàn)單分子發(fā)光技術(shù)。他們希望能用光敏開(kāi)關(guān)將原本重疊在一起的幾個(gè)分子圖像暫時(shí)分開(kāi)，這樣就能獲得單分子圖像，從而提高分辨率。

2004年莊小威研究組偶然發(fā)現(xiàn)某種花青染料具有光控開(kāi)關(guān)，也就是說(shuō)，通過(guò)使用不同顏色的光，可以隨意地把它們激活成熒光狀態(tài)和失活成黑暗狀態(tài)。自此莊小威生開(kāi)始研究這些光控探針，用它們來(lái)短暫地分離個(gè)體分子在空間上的重疊影像從而提高分辨率。

之后這一研究組在Nature Methods雜志上發(fā)表，命名了一種隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡（stochastic optical reconstruction microscopy, STORM）。使用STORM可以以20nm的分辨率看到DNA分子和DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體分子。這一方法基于光子可控開(kāi)關(guān)的熒光探針和質(zhì)心定位原理，在雙激光激發(fā)下熒光探針隨機(jī)發(fā)光，通過(guò)分子定位和分子位置重疊重構(gòu)形成超高分辨率的圖像，其空間分辨率目前可達(dá)20nm。STORM雖然可以提供更高的空間分辨率，但成像時(shí)間往往需要幾分鐘，同時(shí)還不能滿(mǎn)足活體實(shí)時(shí)可視的成像的需要，發(fā)展空間很大。

近期莊小威研究組也在Science雜志上也發(fā)表了他們的3D STORM成像成果，該技術(shù)的空間分辨率比以往所有光學(xué)3D成像技術(shù)的分辨率都要高出10倍。研究人員展示了用3D STORM成像技術(shù)拍攝的腎細(xì)胞內(nèi)微管結(jié)構(gòu)圖和其它的分子結(jié)構(gòu)圖。隨后，他們又進(jìn)一步將該技術(shù)發(fā)展成了多色3D成像技術(shù)（multicolor 3D imaging）。

除了莊小威研究組之外，另外一個(gè)華人研究團(tuán)隊(duì)在這方面也獲得了杰出成果，來(lái)自哈佛大學(xué)的謝曉亮教授在單分子光譜檢測(cè)及其在生命科學(xué)中的應(yīng)用方面也作出了許多貢獻(xiàn)，十年前，謝曉亮教授因?yàn)榘l(fā)布了CARS顯微技術(shù)而引發(fā)了巨大轟動(dòng)。這種技術(shù)通過(guò)一種叫做自發(fā)拉曼散射的現(xiàn)象來(lái)增強(qiáng)信號(hào)。在自發(fā)拉曼散射中，樣品內(nèi)的化學(xué)鍵能夠改變通過(guò)其中的光的波長(zhǎng)。更早使用的拉曼散射顯微術(shù)要求的激光功率很高，而且有時(shí)候需要曝光時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一天。

近期謝曉亮教授研究組將SRS顯微技術(shù)與核磁共振成像（MRI）技術(shù)聯(lián)合起來(lái)，從而能快速靈敏的捕捉活體組織中分子運(yùn)動(dòng)，比如血細(xì)胞擠壓通過(guò)血管的過(guò)程。

這項(xiàng)技術(shù)鏡頭分辨程度達(dá)到亞細(xì)胞水平，可記錄下蛋白、脂肪及細(xì)胞內(nèi)液的情況。由于SRS顯微鏡可以探測(cè)到原子間化學(xué)鍵的共振，因此無(wú)需熒光標(biāo)記。研究人員認(rèn)為SRS顯微鏡可以在腫瘤摘除手術(shù)方面有所幫助，加快手術(shù)進(jìn)程。傳統(tǒng)的樣本分析需要花費(fèi)約20分鐘，SRS 顯微鏡幾乎可以做到實(shí)時(shí)掃描。

同多種常用的觀察生物分子的技術(shù)相比，新型SRS顯微技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯：它能采集分析照射生物樣本的近30%激光，比傳統(tǒng)SRS顯微鏡高出30倍；并且不需要插入熒光標(biāo)記，避免了綠色熒光標(biāo)記蛋白質(zhì)擾亂生物路徑或壓住較小生物分子的問(wèn)題。此外，傳統(tǒng)的紅外顯微鏡空間分辨率太低，并需要給樣本脫水；自然的拉曼顯微鏡需要很高的激光能量，整體耗時(shí)很長(zhǎng)，在活樣本中的應(yīng)用受到限制；相干反斯托克拉曼散射顯微鏡在拍攝除了脂質(zhì)以外的大多數(shù)分子時(shí)對(duì)比度不夠，而新型SRS顯微技術(shù)都能突破這些局限。

原文摘要：

Breaking the Diffraction Barrier: Super-Resolution Imaging of Cells

Summary
Anyone who has used a light microscope has wished that its resolution could be a little better. Now, after centuries of gradual improvements, fluorescence microscopy has made a quantum leap in its resolving power due, in large part, to advancements over the past several years in a new area of research called super-resolution fluorescence microscopy. In this Primer, we explain the principles of various super-resolution approaches, such as STED, （S）SIM, and STORM/（F）PALM. Then, we describe recent applications of super-resolution microscopy in cells, which demonstrate how these approaches are beginning to provide new insights into cell biology, microbiology, and neurobiology.

來(lái)源：生物通