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观察鲜活生物细胞的重大革新:晶格层光显微术

「晶格层光显微术」可以用不到1秒时间取得一个活体影像,而且可以研究整个细胞分裂的过程(大约20几分钟)。图片提供:陈壁彰。

「晶格层光显微术」可以用不到1秒时间取得一个活体影像,而且可以研究整个细胞分裂的过程(大约20几分钟)。图片提供:陈壁彰。

(神秘的地球报道)据美国国家地理(整理撰文:潘佳修):活生生的细胞在显微镜下是什麼样子?科学家今年有了重大突破。2014年10月24日《科学》(Science)期刊,封面故事是现任中央研究院应用科学中心助研究员陈壁彰,在美国诺贝尔化学奖得主Betzig实验室所做的研究「晶格层光显微术」(lattice light sheet microscopy)。此技术成功提昇了扫描速度,并且降低对生物样品的光损害,可应用於单分子侦测、超分辨显微术及活体生物细胞或胚胎发育上,具有3D空间和时间的解析能力,还可进行即时动态研究,再度改革了活体光学显微术。

晶格层光显微术 1秒内取得1活体影像

陈壁彰表示,光学影像技术对於了解生命科学,提供了非常多重要的信息,正所谓「眼见為凭」。随著科技的进步,对於研究活体的影像技术来说,存在一个四角问题:要看得小、看得快、看得久、又要看的深。这项技术就是在这四角问题中取到最佳位置,降低观测样品的伤害性,还要有一定的观测深度(约100 µm),去解决生物学家以前所无法解决的问题,尤其是在活体影像的范畴。(补充说明:µm是长度单位微米(Micrometre),1微米=1米的百万分之一(10-6))

此种新研发出的光学显微镜,有别於世面上所看到的光学显微镜,在於它是用一种所谓的「晶格层光显微术」(lattice light sheet microscopy)。通常显微镜是用同一个镜头做放光及侦测,而层光显微镜则是用两个正交的镜头;一个镜头将光聚焦產生一条非常细的笔状光源,照射在有萤光分子的生物样品,產生萤光;另一个採用宽场成像收集萤光,使得3D高解析生物影像可经由面扫描以快速取得。

显微镜的速度究竟是多快呢?以一个正在做细胞分裂的细胞来说(大约 15 x 15x 10 µm3),「晶格层光显微术」可以用不到1秒时间取得一个活体影像,而且可以研究整个细胞分裂的过程(大约20几分鐘)。这样快速、高解析又对样品低伤害的显微镜,不只用在细胞观察,连线虫和果蝇的蛋都可以。

跨越十年的研究

「光学晶格」概念早在2005年时即由Betzig提出,但直到现在,「晶格层光显微术」才得以实际应用在活体生物观察。2011 年秋天,陈壁彰加入Betzig实验室,Betzig当时已有电脑的理论计算结果,但还不知道如何将理论变成一个显微镜,甚至是生物显微镜。陈壁彰回忆起一开始遇到极大困难,试了很多种方法,后来给了自己最后两个月,若做不出来就要放弃了。他每天和同事,也是本篇论文的共同作者王凯一起工作;王凯做计算,陈壁彰验证实用上的可行性,终於在2012年秋天有了基本的架构。

產生超过100道笔状光束 提升扫描速度

陈壁彰表示,这项技术的主要突破关键,就是在如何同时形成100多条笔状的光束,来增加扫描速度,降低对生物样品的伤害;而且要能控制每条光束的距离及形状,这些都是靠空间光调製器(spatial light modulator,简称SLM)来达成。

活体研究,取得数据的速度要非常快,且对生物样品不能有太大的光损害。「晶格层光显微术」可以同时產生很多笔状光束(约100多条),这些笔状的光形成一个类似片状的光,沿著形成片状的方向,做小范围的扫描,就会形成一均匀的片状光。陈壁彰举例,想像观察样品是一个西瓜,而照射光源是一隻菜刀,西瓜的3D影像形成,就像是用菜刀将西瓜切成好几百等分一样;切得愈薄,所得到的緃向解析度愈高。一般市面上所看到的光学显微镜,是用点扫描的方式,速度慢,所以对活体的伤害大。

Betzig看到研究结果相当开心,大家知道所有的东西都解开了。但是Betzig接著说:「生物显微镜就是给生物人拿来应用的,不做生物合作,要做什麼?」於是,研究后期有一年多,陈壁彰都在做生物合作,同时也一直在加强显微镜的功能。这个期间,陈壁彰与世界各地三十几组生物学家们,共同验证了「晶格层光显微术」的强大功能,从细胞分裂时,细胞骨架的瞬间变化,到线虫发育的细节,都清楚呈现在论文中。

陈壁彰表示,与诺贝尔化学奖得主Betzig共同在一个实验室研究,也受其对科学态度影响:「他让我知道什麼是对科学的热忱及执著,还有前赡性。」

论文发表於《Science》期刊

动态影片:显微镜下的活体细胞

资料来源:中央研究院应用科学中心陈壁彰助研究员





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