如何精确解析亚细胞结构

发布时间：2020-09-09

不同尺寸的细胞对我们显微镜来说就是不同的观察场景，当然要求的精度也不一样，使用的显微镜的种类也很不相同，下面简单梳理一下。

亚细胞结构是细胞内细胞器和细胞骨架等微小结构的总称。哺乳动物的大部分亚细胞结构的尺度都在500 nm以内。我们利用传统宽场显微镜容易分辨细胞核等大体积高衬度的亚细胞结构，但对于线粒体、高尔基体和其它膜泡结构的观察常常显得力不从心。

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▲亚细胞结构的尺度以及其对应的显微技术



为满足当今多色3D活体亚细胞高分辨成像的需求，蔡司开发了多款荧光光切显微系统，可以笼统地分为两类——第一类基于传统光学切片技术，包括ApoTome和共聚焦显微镜；第二类基于超高分辨技术，包括Airyscan、Lattice SIM, SMLM等。

根据不同细胞生物学实验需求, 该如何选择合适的观察方式呢？蔡司君就和大家一同探讨。

01
常规3D多色荧光亚细胞结构成像


蔡司传统光切产品以其超强的普适性和易操作性风靡全球，其中包括基于宽场结构光照明的ApoTome.2（点击查看）和共聚焦显微镜（点击查看）。这两种技术的分辨率在200-300 nm之间，对于细胞核内部结构、细胞骨架分布和内质网等结构的观察十分合适；而线粒体、高尔基体和囊泡结构在此分辨率下均无法获得细节信息，但对于进行细胞器数量的统计和运动轨迹的追踪已具有足够的能力。


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▲固定的动物细胞。DAPI标记细胞核, Alexa Fluor 488 标记细胞骨架, Mitotracker Red 标记线粒体。成像系统为搭载ApoTome.2的蔡司研究级正置显微镜Axio Imager. 样品来自Michael W. Davidson, Florida State University


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▲蔡司共聚焦显微镜LSM 980采集植物活细胞动态过程，并进行光谱拆分

02
快速温和的亚细胞超分辨活细胞成像


揭示亚细胞结构的生理状态归根结底要回到活体本身，活体的脆弱性以及转瞬即逝的生物学过程使低光毒性和高速成为活体成像的灵魂。

蔡司Airyscan 2超分辨模块和Lattice SIM技术（点击查看）极为适合捕捉活细胞中细胞器的快速运动,它们均可实现超高分辨率成像。Airyscan 2极大地提升了图像信噪比，且样品的适用性广；Lattice SIM成像速度极快，图像锐利优美。这两项技术各有优势，应用时可按成像需求自由选择。

当亚细胞结构运动过快，成像深度较大或标记情况较差时，图像信噪比往往不尽如人意，这时我们推荐使用蔡司Airyscan 2。


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▲蔡司Airyscan 2同时提升线粒体图像的信噪比和分辨率

与普通共聚焦图像相比，Airyscan 2可以大大提升线粒体图像的信噪比和分辨率。为了捕捉例如心肌微管收缩等转瞬即逝的生物学过程，我们还可以利用Airyscan 2中的Multiplex成像模式，该成像模式利用了Airyscan 2独特的蜂窝靶面进行多像素点平行采样，从而实现超快速温和的超分辨成像，其成像速度高达47.5 fps（512x512），同时大大降低了图像采集过程中的光漂白。

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▲利用Airyscan 2 Multiplex模式观察心肌细胞中微管快速运动过程，拍摄速度高达96 fps

当需要关注高速运动的亚细胞结构——例如囊泡，线粒体和内质网等结构的运动细节时，Lattice SIM便成是您的不二之选。

蔡司利用革新的3D Lattice SIM成像技术（点击查看），将成像速度提高到255 fps，将成像深度提高到50-100微米，大大扩展了SIM技术在活体组织亚细胞结构观察中的应用。

我们利用burst mode技术获得了时间序列图像，可以展现细胞器运动的各个细节，这样一来就提高了分辨能力。