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打破色彩识别极限的光学显微新技术

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打破色彩识别极限的光学显微新技术

发布日期:2017-12-17 作者:越视精密 点击:

哥伦比亚大学的研究人员们研发出一种新型光学显微镜平台,叫做电子预共振激发拉曼散射显微镜(epr-SRS)。这种显微镜不但具有高灵敏性和选择性,而且使得一次可成像的结构从5种增至24种。

  哥伦比亚大学(Columbia University)的研究人员们在生物系统成像领域取得重要进展,该技术不仅使科学家们能够在整个系统范围内标记和成像大量生物分子,加深对生物系统的理解,还在诸多领域具有潜在的应用前景,如寻找新疗法以及疾病治疗。

  化学系Wei Min副教授领导的研究团队,研发出一种可以大幅增加检测灵敏度的光学显微镜平台。该研究成果于4月19日发表在《自然》(Nature)杂志上。该研究介绍的这种新型仪器,不仅能够观察新分子形成的具体过程,还可以同时对24种不同的生物分子进行标记和成像,此数量大约是现有仪器标记种类数的5倍。

  “在系统生物学时代,如何使细胞内多种分子同时成像,而不失灵敏度和特异性,始终是一个巨大的挑战。” Min介绍道。“我们工作的新颖和独特之处是,使仪器和分子协同作用,来攻克这个存在已久的难题。这个平台能改变我们对复杂生物系统的理解,此类系统有大规模的人类细胞地图、代谢途径、大脑中不同结构的功能、肿瘤的内环境和高分子自组装等,以上所列只是复杂系统中的冰山一角。”

  现有观察活细胞和组织结构的方法,都有其优点和基本的局限性,尤其是存在颜色数量限制的问题。

  例如,荧光显微镜极其灵敏,是生物实验室中最常见的设备。这种显微镜使得科学家们能够利用荧光蛋白(fluorescent proteins),来监测活系统中的细胞生物过程。每种荧光蛋白都能与目标结构结合,将其标记或染色。最多有5种荧光蛋白,分别为蓝色荧光蛋白(BFP ,Blue Fluorescent Protein), 蓝绿色荧光蛋白(ECFP ,Cyan Fluorescent Protein), 绿色荧光蛋白(GFP ,Green Fluorescent Protein),黄色荧光蛋白(mVenus ,Yellow Fluorescent Protein)和红色荧光蛋白( DsRed ,Red Fluorescent Protein).

  尽管荧光蛋白的优势明显,但是它受限于颜色的数量,这使得研究人员一次最多只能看到5种结构。因为荧光蛋白发出的光谱中能够被识别区分出的只有这五种颜色。

  例如,研究人员在观察脑肿瘤组织活样本中的数百万种结构和不同类型的细胞时,每次最多只能在一个组织中看到五种结构,如果想看的结构多于五种,则需要先洗净已被荧光标记的组织,再重新标记和观察另外五种结构。也就是说,研究人员每观察五种结构,就需要重复一次上述操作。这不仅大大增加了工作量,在清洗过程中,还可能会丢失或损伤重要的组织。

  “我们希望同时看到它们,因为只有这样我们才能知道它们是如何独立工作以及相互作用的,” Lu Wei介绍道,他是本篇论文的第一作者,同时也是Min实验室的博士后研究人员。“生物环境的组成成分很多,我们需要同时看到所有的一切,才能真正理解生命的过程。”

  除了荧光显微镜,现在还有各种拉曼显微技术(Raman microscopy techniques)来观察活细胞和组织结构,这种技术是通过使典型化学键发生明显的振动来检测的。传统的拉曼显微镜对颜色的区分度较高,这正是荧光显微镜所欠缺的,不过它的灵敏度较低。因此,它只能采集到高强度,集中的振动信号,而实现这种信号需要数百万同种化学键。如果来自化学键的信号不够强,实现相关结构的可视化就几乎不可能。

  Min和包括化学系教授Virginia Cornish,神经科学系教授Rafael Yuste在内的研究团队,试图结合这两种显微技术,来解决这个难题。

  他们研发出的新平台叫做电子预共振激发拉曼散射显微镜(electronic pre-resonance stimulated Raman scattering (epr-SRS) microscopy)。这种显微镜结合了上述两种显微镜的优点,实现了高灵敏性和选择性。这种新型检测技术,不但具有极高的特异性,而且所需的检测浓度较低。传统的拉曼显微镜检测某种结构,需要数百万个同种化学键,而这种新型仪器仅需要30个。此外,研究团队还同时使用了自己设计的一系列标记分子和最新技术,增强了“分子调色板”的标记能力,使得一次可成像的结构数量扩大到24个,远远超过了荧光显微镜的5个。研究人员们相信,该技术的标记和成像能力还有很大的提升空间。

  研究团队还在脑组织上成功地测试了epr-SRS平台。“我们能看到不同的细胞在一起工作”, Wei 描述到。“而这正得益于大型调色板。现在,我们能够同时对脑组织中的不同结构进行染色。我们希望将来能够实时地观察到它们的活动。”研究人员们认为该技术不仅仅可应用于脑组织。她补充道,“不同类型的细胞,功能也不同。科学家们通常一次只研究一种细胞,而更多的颜色使得我们能够同时研究多种细胞,观察到细胞在健康和疾病的状态下是如何独立工作以及相互作用的。”

  这个新平台还有很多潜在的应用领域。Min补充道,“将来,这项技术可能被用于治疗现有药物难以杀死的肿瘤。我们如果能看到癌细胞中结构的相互作用,就能更精确地寻找到达目标结构的路径。这个平台很有可能会颠覆我们对复杂系统的理解。”

本文网址:http://www.yueshijingmi.com/news/372.html

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