冷冻电子断层成像新方法：让细胞切片更清晰、精确

拍摄细胞内微小结构的图像是一项棘手的工作。一种技术，低温电子断层成像（cryoET），通过冷冻样本发射电子束。通过电子产生的图像使研究人员能够以接近原子分辨率重建细胞内部的三维结构。

不过，如果样本太厚，这种方法就不管用了。电子无法穿透大多数细胞，包括人类细胞。相反，研究人员使用离子束将这些较厚的细胞铣削成200纳米厚的薄片，但随后又出现了另一个挑战：确保感兴趣的结构，比如核糖体或叶绿体，确实包含在这薄片里。通常需要多次尝试才能在被侵蚀的样本中捕捉到目标物体。

新技术提高铣削精度

现在，通过将 光学显微镜 与离子束铣削相结合，能源部的SLAC国家加速器实验室的研究人员发现了荧光光中的额外信号，可以指导铣削过程。这项技术使光学引导铣削的精度提高了大约十倍，这将使cryoET更容易捕捉到细胞内的小型稀有结构，比如入侵病毒。

发表在期刊 Nature Communications 上。

“我们的方法可以非常准确地告诉你物体在最终薄细胞切片中的位置，成功率也很高，”斯坦福大学和SLAC的助理教授彼得·达尔伯格说。“这个改进也大大提高了效率，因为你花费更少的时间进行铣削而不会错过目标。”达尔伯格与研究助理安东尼·西卡和玛格达·扎奥拉洛娃一起开发了这项节省时间的技术。

三重共聚焦系统的工作原理

团队使用了所谓的三重共聚焦系统，该系统对齐了三种不同仪器的焦平面：扫描电子显微镜、用于细胞铣削的离子束和用于观察标记有荧光化学物质的小物体的光学显微镜。与那些没有共同对齐仪器的商业系统不同，这个系统允许研究人员在铣削时监测荧光。

尽管三重共振系统通常无法解析小于200纳米的物体，因为这些仪器的基本光学限制，达尔伯格和他的团队转向了干涉，这是一种光波相互作用的现象，以克服这一限制。

当离子束侵蚀细胞顶部时，感兴趣物体发出的荧光从下面照射上来。样本的顶部表面反射这些光波，随后这些光波与入射光发生干涉——就像池塘中的涟漪交叉形成更复杂的图案。在这种情况下，随着样本表面的侵蚀，干涉使得来自标记物体的荧光光线时明时暗。西卡开发了一款软件，能够根据这些荧光光线的明暗变化精确定位荧光物体，从而实现更精确的铣削。

应用及未来展望

为了测试这种方法，团队对感染人类细胞的26纳米宽的病毒进行了成像，证明这种方法可以针对以前在冷冻电子断层成像中无法达到的生物结构。该技术还可以应用于其他病毒颗粒、参与细胞分裂的微小瞬态结构以及其他物体。

“我想展示使用这种效果和三重重合的几何结构是，在细胞的原生状态下，针对非常小的目标的正确方法，”达尔伯格说。

接下来，团队希望将先进的光学显微镜技术融入三重重合系统，以进一步提高光学图像质量，并拍摄尽可能信息量最大的冷冻电子断层成像图。

“在铣削技术方面有很多研究和开发，但我想引入更先进、精细的荧光技术，”西卡说。

更多详情： Anthony V. Sica 等，超越轴向衍射极限的低温聚焦离子束铣削的光学干涉用于指导，自然通讯（Nature Communications）（2026年）。 DOI: 10.1038/s41467-025-65548-8