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最新的3D顯微攝影技術,捕捉細胞在體內的真實動態!

斑馬魚胚胎內耳裡的外淋巴液(perilymph)看起來好像一座燈火通明的橘色宮殿,身為警衛的白血球正在勤快地巡邏,鑽進鑽出,並吞下用藍色標示的右旋糖酐(dextran)分子。影片中還可以清楚地看到內耳的構造,有血管、有作為壓力安全閥的內淋巴囊(endolymphatic sac)、還有細胞正在分裂呢!

影片一、利用晶格層光顯微術加上調適光學觀察活體組織:斑馬魚的白血球在內耳中移動、吞噬異物(Liu et al., 2018)

俗話說:「眼見為憑」,但是對研究人體生理的科學家來說,想要直接看到心愛的組織、細胞、蛋白質往往是不可能的,傳統的顯微攝影都是固定在玻片上的死細胞,所以要觀察它們的即時動態可說是是難上加難啊!

3D 細胞顯微攝影要克服的困難很多,例如完整的組織裡層層疊疊、彎彎曲曲的部份太多,像一包彈珠一樣把光線打散,一般顯微鏡的解析度會因此糊掉了。傳統的顯微鏡不是速度太慢,無法錄下細胞的 3D 即時動態,或為了克服上面的問題在細胞上照射比沙漠豔陽還要強烈數萬倍的光束,細胞就算不死沒瞎掉也非常地不爽,令科學家擔心我們觀察到的是否為正常健康的細胞行為,還是奄奄一息或是暴走的細胞。 

物理學家 Dr. Eric Betzig 和他的團隊天才地結合了兩種顯微攝影技術:他們運用調適光學(adaptive optics)——也是天文學家用來在充滿湍流的大氣中觀察天體的技術——來探測組織裡的光學像差,並提供反向的扭曲鏡來矯正組織構造造成的像質扭曲,再加上 Dr. Eric Betzig 先前發明的晶格層光顯微術(lattice light sheet microscopy),在數秒之內快速地層層掃描立體組織,減少對樣品的光損害,最後再把一系列的 2D 影像組合成 3D 影片。

圖一、運用調適光學矯正組織構造造成的像質扭曲,比較矯正前後(Liu et al., 2018)

哇嗚,他們 2018 年發表的論文和影片真是太華麗了!看起來好像螢光花園隧道的發育中的脊髓神經細胞、像水面上的肥皂泡一樣五彩變化的眼睛細胞和胞器,駭人的綠色癌細胞在紫色的組織中爬行並試圖穿越血管壁,等等,就算不懂科學也是一場視覺饗宴啊!

圖二、追蹤斑馬魚視網膜神經上皮的發育,六個不同時間點的細胞分裂(白色和綠色箭頭)和粒線體(橘色箭頭)(Liu et al., 2018)

Dr. Eric Betzig 因為發展超高解析度螢光攝影技術,獲得了 2014 年的諾貝爾化學獎。他最新的顯微鏡有點像三台拼湊成的,體積佔滿一個 3 公尺長的桌子。Dr. Eric Betzig 的團隊接下來的願望是改良他們的顯微鏡,希望體積可以縮小到一個書桌,並是其他實驗室可以買得起的價格,讓全世界的科學家都可以使用這一個技術。

圖三、晶格層光顯微術和調適光學的結合,讓我們能夠以前所未有的高時空解析度,觀察細胞在三維空間的活動(Liu et al., 2018)

影片2、晶格層光顯微術和調適光學的結合後,突破許多限制並可以清楚的觀測到更細部的變化。這影片有許多這項技術運用後的成果。Credit: T. Liu et al./Science 2018

參考文獻:

  1. New Microscope Captures Detailed 3-D Movies of Cells Deep Within Living Systems. (2018, April 19). Retrieved from https://www.hhmi.org/news/new-microscope-captures-detailed-3-d-movies-cells-deep-within-living-systems
  2. Liu, T. L., Upadhyayula, S., Milkie, D. E., Singh, V., Wang, K., Swinburne, I. A., . . . Betzig, E. (2018). Observing the cell in its native state: Imaging subcellular dynamics in multicellular organisms. Science, 360(6386). doi:10.1126/science.aaq1392

撰文|陳昱慈
審稿|林偉強

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陳昱慈

美國威斯康辛大學麥迪遜分校生物系畢業,目前在維吉尼亞聯邦大學攻讀神經科學博士,研究興趣是電生理學、藥物成癮、和神經藥理學,業餘興趣包括昆蟲學和畫漫畫。受到臉書上熱血科普文寫手們啟發,創立「神經科學、生理學中文分享版」,從此開始了科普文寫作的興趣,希望藉由Investigator認識志同道合的朋友,並與大眾分享傳統上認為艱深、不親民的題目,如電生理和藥理學的神奇魅力。

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