问题

现在有显微技术能观测活的细胞分化吗?

回答
是的,现在有多种先进的显微技术能够观测活的细胞分化过程,而且这些技术正变得越来越强大和精细。细胞分化是一个复杂、动态且涉及多步骤的过程,包括细胞形态的改变、基因表达的重编程以及功能特性的获得。为了全面理解这一过程,科学家们开发了能够实时追踪这些变化的显微技术。

以下是一些关键的显微技术,以及它们如何应用于观测活的细胞分化,并尽可能详细地介绍:

1. 荧光显微镜技术 (Fluorescence Microscopy)

荧光显微镜是观测活细胞分化的核心技术之一。它利用荧光染料或荧光蛋白标记细胞内的特定分子、结构或过程,然后在显微镜下观察其发出的荧光信号。

共聚焦显微镜 (Confocal Microscopy):
原理: 共聚焦显微镜通过使用针孔来消除焦平面之外的散射光,从而获得比传统宽场荧光显微镜更高对比度和更高分辨率的图像。它可以逐层扫描样品,构建出三维重建图像。
在细胞分化中的应用:
追踪细胞内蛋白定位和动态: 许多分化过程涉及特定转录因子、信号分子或结构蛋白的定位变化。例如,可以通过将这些蛋白标记为荧光蛋白(如GFP, mCherry),来观察它们在细胞核、细胞质、细胞膜等不同区域的动态迁移,从而推断其功能。
实时监测细胞器变化: 细胞分化往往伴随着细胞器(如线粒体、内质网、高尔基体)形态、数量和功能的改变。使用对特定细胞器有标记的荧光探针,可以实时观察这些变化。
三维成像: 共聚焦显微镜的三维成像能力对于理解细胞分化过程中细胞形态的复杂变化(如细胞伸长、分支、形成特定结构)至关重要。
多色成像: 通过标记不同的分子为不同颜色的荧光蛋白,可以同时追踪多个分子的相互作用和动态变化,为理解复杂的信号通路提供线索。
优点: 高分辨率,高对比度,可进行三维成像,可进行多色成像,可用于活细胞成像。
局限性: 可能存在光毒性和光漂白效应,需要标记目标分子。

双光子显微镜 (TwoPhoton Microscopy):
原理: 双光子显微镜利用两种近红外光子同时激发荧光探针,通常在样品内部激发,从而减少表面荧光信号和光损伤。这使其能够穿透更深的组织。
在细胞分化中的应用:
穿透深层组织: 对于在三维细胞培养(如类器官、组织切片)中进行细胞分化观测时非常有用,因为它可以提供更清晰的深层图像。
降低光毒性: 双光子激发效率较低,需要更高功率的激光,但其激发区域非常局限,可以减少对活细胞的整体损伤,允许更长时间的连续观测。
优点: 穿透深度大,光毒性低。
局限性: 对荧光探针有要求(需要能在双光子激发下发光),价格昂贵。

超高分辨率显微镜 (SuperResolution Microscopy STED, STORM, PALM):
原理: 这些技术突破了传统荧光显微镜的衍射极限,可以达到几十纳米的分辨率。STED (Stimulated Emission Depletion) 使用受激发射来“收缩”激发区域;STORM (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) 和 PALM (Photoactivated Localization Microscopy) 通过随机激活和定位荧光分子来构建高分辨率图像。
在细胞分化中的应用:
观察分子在亚细胞结构中的精细动态: 细胞分化涉及许多在纳米尺度上发生的事件,例如蛋白质复合物的形成与解体、信号小体的动态变化、细胞骨架的重塑。超高分辨率显微镜能够直接观察这些精细的结构和动态。
追踪单个分子行为: STORM/PALM 可以追踪单个荧光标记分子的运动轨迹,揭示分子的扩散模式、聚集行为以及与其他分子的相互作用。
研究细胞分化中的蛋白质蛋白质相互作用: 通过标记相互作用的蛋白,可以在接近分子水平上观察它们在分化过程中的动态变化。
优点: 极高的分辨率,能够观察纳米尺度的结构和动态。
局限性: 通常需要专门的荧光标记策略,可能对活细胞成像的时间和通量有一定限制,光毒性可能较高。

2. 活细胞成像 (LiveCell Imaging) 技术平台

除了显微镜本身,支持活细胞成像的技术平台也至关重要。

时间推扫成像 (TimeLapse Imaging):
原理: 在显微镜下以设定的时间间隔(几分钟到几小时)拍摄图像,从而捕捉细胞随着时间推移的动态变化。
在细胞分化中的应用: 这是观测细胞分化最基本也是最重要的技术。通过连续拍摄,可以观察细胞的生长、分裂、迁移、形态改变以及标志物的表达变化。
优点: 直观,易于操作,能够提供过程的连续记录。
局限性: 分辨率和深度受限于显微镜类型,需要注意光毒性和细胞培养环境的稳定性。

环境控制系统:
原理: 保持细胞在显微镜下成像时的生理条件稳定,包括温度(通常是37°C)、湿度(95%以上)、二氧化碳浓度(5%)等。这些条件通常由显微镜附件实现,如加热载物台、加热培养箱、CO2控制器等。
在细胞分化中的应用: 细胞分化是一个对环境变化敏感的过程。稳定的培养环境可以确保观测到的变化是由于分化信号引起的,而不是环境因素造成的。
优点: 确保细胞的活性和生理状态,使观测结果更可靠。
局限性: 集成到显微镜系统中可能需要额外成本。

多参数成像 (Multiparametric Imaging):
原理: 同时记录多个生理参数,例如荧光信号、细胞形态、细胞运动、细胞阻抗等。
在细胞分化中的应用: 结合多种信息可以更全面地理解细胞分化。例如,可以同时追踪形态变化(通过明场或DIC成像)和特定基因的表达(通过荧光成像)。
优点: 提供更丰富的信息维度,能够揭示不同参数之间的关联。
局限性: 需要集成多种成像模块和数据分析方法。

3. 特殊的荧光标记策略和探针

为了更精确地追踪细胞分化,科学家们还开发了各种特殊的荧光标记策略和探针:

报告基因 (Reporter Genes):
原理: 将一个可检测的荧光蛋白基因(如GFP, RFP)连接到特定分化标志物的启动子或增强子区域。当该标志物基因被激活时,荧光蛋白就会表达,从而通过荧光信号指示分化的发生。
在细胞分化中的应用: 能够实时监测特定谱系标志物的表达,指示细胞是否进入了该谱系的分化途径。例如,标记一个早期分化标志物,可以观察到细胞在开始分化时荧光信号的增强。
优点: 直接指示特定分化通路。
局限性: 需要预先构建转基因细胞系。

电压敏感或离子敏感荧光探针:
原理: 这些探针的荧光强度或发射波长会随着细胞膜电位、钙离子浓度等离子环境的变化而改变。
在细胞分化中的应用: 许多细胞分化过程与离子通道的活性变化和膜电位的改变有关。例如,神经元分化过程中会出现动作电位的产生,可以使用电压探针来监测。
优点: 追踪细胞生理状态的实时变化。
局限性: 探针的灵敏度和特异性是关键。

光遗传学工具 (Optogenetics):
原理: 利用光来控制细胞行为,例如通过光敏蛋白激活或抑制特定的基因表达或信号通路。
在细胞分化中的应用: 可以通过光照来诱导或抑制细胞的分化过程,并观察其后果。例如,在特定的时间用特定波长的光照射,激活一个诱导分化的转录因子。
优点: 精确的时间和空间控制分化过程。
局限性: 需要基因工程改造细胞,并且需要结合光照系统。

4. 其他显微技术

差示干涉对比显微镜 (DIC Differential Interference Contrast Microscopy):
原理: 一种无标记技术,能够产生具有立体感和高对比度的图像,特别适合观察透明细胞和细胞形态的细微变化。
在细胞分化中的应用: 无需荧光标记即可观察细胞的形态学变化,如细胞伸长、收缩、伪足形成等,非常适合结合荧光成像进行多模态观测。
优点: 无需标记,可提供高质量的细胞形态信息。
局限性: 无法提供分子信息。

原子力显微镜 (AFM Atomic Force Microscopy):
原理: 通过一个微小的探针扫描样品表面,测量其机械力,从而获得样品表面的三维形貌信息,甚至可以测量分子间的力。
在细胞分化中的应用: 细胞分化过程中,细胞的力学性质也会发生改变,例如细胞的硬度、粘附性等。AFM可以测量这些力学变化,提供对细胞机械行为的深入了解。
优点: 极高分辨率,可测量力学信息,可以用于活细胞。
局限性: 测量速度相对较慢,需要将细胞固定在特定的表面上,可能影响其自然状态。

总结与展望

现代显微技术,特别是荧光显微镜技术(共聚焦、双光子、超高分辨率)的进步,极大地提升了我们观测活细胞分化的能力。通过结合先进的荧光标记策略、时间推扫成像技术平台以及环境控制系统,科学家们可以:

实时追踪关键分子的动态定位和表达变化。
观察细胞器和细胞骨架在分化过程中的重塑。
监测细胞形态的细微变化和运动轨迹。
甚至在纳米尺度上理解分化过程中的分子事件。
通过多参数成像获得更全面的信息。

未来的发展方向可能包括:

开发更高效、更低毒性的荧光探针和标记技术,以实现更长时间、更精细的观测。
进一步提高显微镜的分辨率、灵敏度和成像速度,以便捕捉更快速和更微小的分化事件。
发展更强大的数据分析工具和人工智能算法,以处理和解析海量的高维成像数据,从中提取有意义的生物信息。
将显微成像与基因组学、转录组学、蛋白质组学等其他组学技术相结合,建立多维度的数据模型,从而更全面地理解细胞分化的复杂性。

总而言之,现在的显微技术已经能够非常有效地观测活的细胞分化,并且随着技术的不断进步,我们对这一生命基本过程的理解也将日益深入。

网友意见

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相衬显微技术于 1930 年代发明,相差显微镜在 1940 年代成功地对活细胞成像并拍成动态画面。发明者 Frits Zernike 于 1953 年获得诺贝尔物理学奖。

可以看看 1943 年的视频[1]

https://www.zhihu.com/video/1487401548968206336

Georges Nomarski 于 1952 年发明的微分干涉相差显微镜、Robert Hoffman 于 1975 年发明的霍夫曼调制对比显微镜亦可对活细胞成像。

利用荧光蛋白、活细胞染料等标记细胞,可以在荧光显微镜下研究绝大部分细胞过程。

共聚焦反射显微镜可以对未标记的活组织成像,尤其适合研究眼睛。

参考

  1. ^ Time lapse movie of the prophase stage during meiosis I in spermatocytes of the locust Psophus stridulus. This is a historic movie made in the early 40s by Kurt Michel of the ZEISS company in Jena using Zernike's newly invented phase contrast microscope. Several sequences are shown, some proceeding to metaphase. Despite its early date, the movie and the others in the group remain some of the clearest examples of chromosome behavior during meiosis. Based on 2hr real time duration. Originally published by Institut für den Wissenschaftlichen Film, Goettingen.

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