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Nature Methods:2014年度技术——快速三维成像

我们在进行荧光显微成像的时候,总要在信号强度和光漂白之间做出艰难的取舍,而高强度光照对活细胞和组织的影响也不容忽视。

激光层照荧光显微技术(Light-sheet fluorescence microscopy)能以很高的3D分辨率,长时间对生物学样本进行温和成像。这一技术结合高速相机,足以捕捉细胞或亚细胞水平发生的动态。日前,《Nature Methods》杂志将这个低光毒性的快速三维成像技术评为了2014年的年度技术。
激光层照荧光显微技术的基本原理很简单,它不像宽场或共聚焦显微镜那样照射或扫描整个样本,而是用薄层光从侧边照射样本,然后从样本的上部或下部检测荧光,激发光路与检测光路垂直。激光层照荧光显微镜激发一个层面上的荧光基团,一次成像一个面,这种技术不仅大大降低了光毒性,还提高了长时间成像活样本的能力。

Light-sheet技术始于一百年前,原本是用来成像胶体的。后来,Ernst Stelzer等人用这一技术成像了荧光标记的活斑马鱼胚胎,Light-sheet技术由此重新焕发了活力。Stelzer在本期Nature Methods杂志上撰文,介绍了这一技术的起源、原理和应用潜力。

激光层照荧光显微技术的崛起,离不开荧光蛋白和转基因标记的发展。实际上,只有物理学、生物学等多个领域进行跨学科合作,人们才能充分挖掘出这一技术的潜力。随着商业化仪器的不断推出和升级,相信激光层照技术将为我们揭示以往难以想象的生物学细节。

目前的激光层照荧光显微镜可以实现多角度成像(multiview),并与超高分辨率成像、双光子激发和结构照明结合起来。这一技术能够快速对活细胞进行3D成像,在透明的固定样本中获得惊人的静态图像。举例来说,人们已经用激光层照荧光显微镜成像了活体心脏和运作中的大脑,跟踪了胚胎发育时的细胞迁移。(延伸阅读:Nature Methods十周年,十大技术盘点)

激光层照荧光显微技术在神经生物学中的应用特别令人期待。因为这一技术能够同时成像大脑中的大量细胞,有望为我们揭示这一神秘器官的整体属性。Misha Ahrens等人在本期的Nature Methods杂志上发表文章探讨了这个问题。

激光层照成像是一项充满挑战性的工作,激光层照实验会生成海量的数据,我们需要找到更好的方法处理和分析这些数据。此外,激光层照成像的样本制备也和成熟的样本制备方案完全不同。

值得注意的是,最佳效果的激光层照成像仍然需要较小的透明样本。对于不那么透明的大样本而言,我们还需要想办法解决散射和相差问题。另外,我们在进行激光层照成像时,依然需要监控潜在的光毒性,虽然激光层照技术的光毒性比较小,但并不等于完全没有光毒性。

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