新的荧光显微镜技术可拍摄活细胞的纳米级3D图像

KTH皇家理工学院的研究人员报告说，一种新的荧光显微镜技术已经产生了世界上第一个完整的活细胞分子的纳米级3D图像。

 Elucidating the volumetric architecture of organelles and molecules inside cells requires microscopy methods with a sufficiently high spatial resolution in all three dimensions. Current methods are limited by insufficient resolving power along the optical axis, long recording times and photobleaching when applied to live cell imaging. Here, we present a 3D, parallelized, reversible, saturable/switchable optical fluorescence transition (3D pRESOLFT) microscope capable of delivering sub-80-nm 3D resolution in whole living cells. We achieved rapid (1–2 Hz) acquisition of large fields of view (~40 × 40 µm2) by highly parallelized image acquisition with an interference pattern that creates an array of 3D-confined and equally spaced intensity minima. This allowed us to reversibly turn switchable fluorescent proteins to dark states, leading to a targeted 3D confinement of fluorescence. We visualized the 3D organization and dynamics of organelles in living cells and volumetric structural alterations of synapses during plasticity in cultured hippocampal neurons.

KTH的副教授，生命科学实验室的研究员Ilaria Testa表示，该技术能够精确地产生图像，而这种精确度迄今为止是电子显微镜所独有的。

与电子显微镜相比，KTH技术被称为3D pRESOLFT，可以更广泛地可视化蛋白质。而且可以做到这一点而又不会杀死细胞并进行切片-电子显微镜的两个必要步骤。

将这项技术开发为研究神经元蛋白质的定位和功能的一部分，特别是在突触和轴突中，运输细胞器和蛋白质复合物非常拥挤，需要对其进行高分辨率可视化以进行检查。

Ilaria说：“在这里，我们不需要这样做。细胞正在快乐地移动并正在发挥重要的功能。”

在常规的荧光显微镜中，可见光用于照射用荧光染料着色的细胞和组织-但该方法仅限于通常以低分辨率创建2D图像。

3D pRESOLFT通过使用涉及可切换荧光染料的干涉图案的组合对技术进行了改进，这些干涉图案可以像电灯开关一样打开和关闭，同时记录了大量的并行图像。样品总体上暴露于较少的光线下，以防止样品褪色。

由于光线柔和，我们可以观察活细胞，但精度更高，即可以缩小到50海里，比人的头发小2万倍。能够以这种精确度查看3D活细胞的能力使得研究蛋白质如何参与重要但尚未了解的生理过程成为可能。

我们现在可以看到脑细胞的3D结构，并检查我们认为对学习和记忆形成重要的分子-并了解它们在受到某些刺激时如何改变位置和形状。”

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-020-00779-2