3D-2PE-STED系统：新3D“超分辨率”成像，为诊疗和治疗提供帮助

文/陈根

电子显微技术在诊疗和治疗上都发挥着重要作用。现在,耶鲁大学医学院的研究人员就称,他们开发了一种3D-2PE-STED系统,可可在活老鼠的大脑内拍摄“超分辨率”的3D图像。这种方法非常精确,以至于研究小组能够对神经元分支上的小树枝进行成像并观察它们在几天内的变化情况。

在光学学会(OSA)的研究杂志Optica上,研究人员描述了他们如何使用新的STED显微镜,以超分辨率成像活体老鼠大脑深处树突棘的3D结构。树突棘是神经元树突分支上的微小突起,接收邻近神经元的突触输入。它们在神经元活动中起着至关重要的作用。

研究人员表示,他们的显微镜是世界上第一台在活体动物体内实现三维超分辨率的仪器,这种深部组织成像技术的进步将使研究人员能够直接直观地观察其原生组织环境中的亚细胞结构和动力学。因此,以这种方式研究细胞行为的能力对于全面了解生物医学研究以及药物开发的生物学现象至关重要。

而传统的STED显微镜最常用于培养细胞标本的成像。利用这项技术对厚组织或活体动物进行成像具有很大的挑战性,特别是当超分辨技术的优势扩展到三维立体成像时。这种局限性是因为厚而光学致密的组织阻止了光的深度穿透和正确聚焦,从而削弱了STED显微镜的超分辨率能力。

为了克服这一挑战,研究人员将STED显微镜与双光子激发(2PE)和自适应光学相结合。其中,2PE可以通过使用近红外波长而不是可见光在组织中进行更深层次的成像——红外光不易被散射,因此能更好地深入组织。

研究人员还在他们的系统中加入了自适应光学。自适应光学的使用纠正了光的形状的扭曲。并且,在成像过程中,自适应元件以与标本中的组织完全相反的方式修改光波前。因此,自适应元件的像差抵消了组织的像差,创造了理想的成像条件,使STED的超分辨率能力能够在所有三维空间中恢复。

事实上,树突棘非常小,如果没有超分辨率,很难将其精确的3D形状可视化,更不用说随着时间的推移这种形状会发生任何变化。而3D-2PE-STED提供了观察这些变化的手段,不仅在大脑的表层,而且在大脑的深层,这也将揭示更多从前人们所不知道的联系,为诊疗和治疗提供帮助。