“超级相机”可拍活细胞“高清电影”

来源：滚动播报

（来源：千龙网）

RIED显微镜观察到的细胞骨架。霆光摄

“使用传统的荧光显微镜，激光照到细胞上，最长十几分钟荧光分子就漂白了，功率加大还会对细胞活性造成不可逆的损伤。而我们可连续观测长达41个小时，细胞状态依然很好，成像画面依然清晰。”

——朱文鑫 论文第一作者、浙江大学化学系博士后

无需外部激光，仅靠化学反应自身发出的微光，就能看清活细胞内百纳米级的精细结构——这项由中国科研团队研发的“RIED”显微成像技术，打破了传统光学显微镜“看得清”与“看得久”不可兼得的困局。该研究成果由浙江大学教授冯建东团队与哈尔滨工业大学教授赵唯淞团队合作完成，近日发表于国际学术期刊《自然》。

这种全新显微成像技术，彻底摆脱了经典显微镜对“光激发”的依赖，为光学显微成像领域推开了一扇新的大门。

传统外源光成像存在短板

你还记得中学生物课上那片薄薄的洋葱内表皮吗？在载玻片上滴一滴清水，展平薄膜，盖上盖玻片，再用碘液轻轻染色……当显微镜底部的光源点亮时，一束光透过样品，你的眼前浮现出一排排整齐排列的长方形洋葱表皮细胞。那时的你是否想过：如果有一台更高级的显微镜，是不是就能看到更细微、更清晰的微观世界？

对于这个问题，1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝就给出了答案：不行。

恩斯特·阿贝提出，传统光学显微镜的分辨率永远无法超过光波长的一半，也就是约200纳米。小于这个尺度的细节，会因光的衍射效应模糊成一团，细胞内的生物分子、精细结构都无从分辨。但在实际操作中，200纳米的分辨率也很难实现。直到突破阿贝衍射极限的超分辨荧光显微镜被发明，光学显微才进入纳米时代。

而当科研人员跳出光学显微这个细分领域，站在更大的显微分析仪器的视角来看，则发现了一个更加普遍的科学逻辑：几乎所有的现代显微与分析仪器，都遵循着“光输入—相互作用—光输出”的检测范式。

荧光显微镜输入激光激发荧光分子发光，电子显微镜输入高能电子束解析精细结构，红外光谱仪输入红外光识别化学键。百年来，正是依靠这套“外源光（含电磁波）输入作用”的探测逻辑，科学家得以一步步解码肉眼不可见的微观世界。

但是，外源输入的光伴随着一定的破坏性。比如，电镜就很难做活细胞观测，因为没有细胞能在高能电子束下存活。可以做活细胞成像的超分辨荧光显微镜，却存在光漂白、光毒性的先天局限。其所用到的高能激光，在点亮纳米尺度细节的同时，也在强干扰细胞的正常生理状态，导致人们始终无法通过这种方式完成活细胞的长时程观测。

换言之，过去在活细胞成像领域，“看得清”和“看得久”是鱼和熊掌不可得兼。

要打破这一困局，需要从根本上改写成像机制，跳出“外源光成像”的固有框架。

向内求索——让化学反应甚至生命体本身就能够发光。研究团队的探索，正是从这里破局。

化学反应方法打破瓶颈

为了能通过细胞发出的微光看清楚细胞的结构，冯建东团队经历了一场漫长的科研“马拉松”。

2021年，团队首次证明了用电化学发光反应实现单分子超分辨成像的可行性。该成果被国际同行在《自然》撰文评价为“提出了基于化学途径的超分辨显微镜全新成像概念”。

然而，新方法虽然具有开创性意义，但电化学发光场景有限。

经过5年的深入探索，团队在原有研究基础上持续攻关，推出了一套通用的化学反应发光超分辨成像框架，将成像模态从单一的电化学发光拓展至化学发光、生物发光反应体系。

化学反应发光虽然因为强度低而制约了成像分辨率，但其过程却伴随着丰富的信息，包括发光信号的涨落、衰减变化等。为了最大化捕获并利用化学发光信号，研究团队创新性引入了“时空孤立采样”策略，高效收集在时间和空间上均呈现高波动特征的反应光子信号。这些化学过程信息被完整记录下来后，可以提升成像分辨率。

“化学反应发出的光虽然微弱，但其背景是完全黑暗的，这使得信号提取具有优势。就像萤火虫的光虽然微弱，但我们在黑夜中可以很容易地看见它一样。”冯建东说。

团队首次实现了活细胞多种细胞器的三维、高时空分辨成像，空间分辨率达100纳米，可与当前主流活细胞荧光超分辨技术相媲美。

更好读懂微观生命过程

更具突破性的是，这套新方法不仅解决了“看得清”的问题，同时也破解了荧光显微镜的底层制约逻辑：高分辨率的获得需要强激光激发，而激光会杀死细胞。新方法具有无外部激光激发的天然优势，因此活细胞成像不用再面临光漂白、光毒性等风险，连续成像时长较同等条件下的荧光显微技术提升了上百倍。

通过这个新方法，团队首次完整追踪了单个线粒体跨细胞转移的动力学过程。

“使用传统的荧光显微镜，激光照到细胞上，最长十几分钟荧光分子就漂白了，功率加大还会对细胞活性造成不可逆的损伤。而我们可连续观测长达41个小时，细胞状态依然很好，成像画面依然清晰。”论文第一作者、浙江大学化学系博士后朱文鑫介绍，“观测时长的量变会引发活细胞成像的质变，我们相信这项技术未来还会有更广阔的应用空间。”

据介绍，在生物成像领域，该技术将为原位实时看清楚活细胞内部组织结构、拍摄分子过程变化“高清电影”提供全新“超级相机”，有望驱动全新科学发现。

“我给这项技术取名为‘RIED’，发音接近英文单词‘READ（阅读）’。我希望它可以帮助我们更好地读懂微观的生命过程。”冯建东说，“传统意义上我们理解显微镜，都会认为这是一个光学或者物理领域的研究内容，但我想用化学的方法来制造显微镜，用化学造镜，观化学之微。”