Science：新显微技术以视频速率追踪活体内分子

本文由丁香园站友 Docofsoul 于2010-12-3 转载并编译， 点此查看详情

《每日科学》2010年12月2报道 —— 哈佛大学科学家在显微技术方面取得了新的进展，从而撩开了一种新型的生物医学成像的面纱：此成像快速灵敏，能够捕获血细胞挤进毛细血管时的“视频”图像。

 
基于分子内部特有的振动光谱，许多重要的组织结构要素如脂质（CH2振动，红色）、蛋白（CH3振动，绿色）与水（OH振动，蓝色）被拍摄成像。上面的图像显示了小鼠皮肤组织活力表皮中包裹着一根毛发的皮脂腺。（左）红色CH2图像以亚细胞分辨率显示富脂腺细胞；由于缺少指质细胞核看起来象黑圈。（中心）绿色CH3图像显示了残留脂质信号，但新的富蛋白结构（比如图像中的一根毛发）、围绕腺体的胶原纤维与左上方的红色血细胞。这可以被看成是该毛发（中心绿色固体）为富脂皮脂（红圈）所环绕。 （右）OH图像，因为水（蓝色）而显示与皮脂腺相反的图像对比度，这是由于富脂细胞阻止的水份进入。最近的进展已经允许以反射模式以及以视频速率从小鼠与人类活体获得SRS图像。定标：20μm。（照片来源：Brian Saar 与 Christian Freudiger博士）

由哈佛大学Brian G. Saar、Christian W. Freudiger与Sunney Xie率队的研究者们在《Science》对这项研究工作进行了描述。

这一新技术的基础是受激拉曼散射（SRS），可与核磁共振成像（MRI）相辅相成，广泛应用于捕获器官、肿瘤以及其它大型结构的静态图像。本研究首次使利用SRS显微镜制作无标记化学影片成为可能：在亚细胞水平拍摄流水线式的连续镜头，捕获细胞内蛋白、脂质与水的视频图像。

哈佛大学化学与化学生物学教授Xie说：“十一年前我们刚开始着手进行这项计划时，我们怎么也想不到会有如此令人惊异的结果。MRI技术是搞了三十年以后才得以应用于临床，而我们现在就期望将SRS显微镜投入到医院使用了。很清楚，受激拉曼散射将在未来的生物成像与医学诊断中扮演一个重要的角色。”

Xie说SRS显微镜能够有助于外科移除肿瘤与其它损伤组织手术并使手术的速度加快。外科医师现阶段必须切取样本以供组织学检查——这一过程要花20分钟左右——期间病人必须躺在手术台上（活受罪）。而SRS显微镜可以通过实时扫描来提供等效的信息。

Xie的研究小组已经运用SRS显微镜来追踪药物在皮肤内的迁移情况，可以清楚地观察到局部用药后药物的吸收情形。结合运用内窥镜，该技术也能逐层观察（活体）组织的三维结构。

Xie指出：“此前的SRS显微镜每分钟仅捕获一个图像，对动物或人类活体而言，太慢，所以没有实用价值。我们能够使收集数据的速度提高三个数量级以上，使之以视频速率成像。”

因为SRS显微镜通过侦测原子之间化学键的固有振动来完成工作，因此无须侵入性荧光标记。这是一种与MRI互补的光学技术，MRI的穿透深度偏向适用于器官及深居体内的其它大型目标成像。

目前这一工作通过在一个小孔径（通过该孔径光束对准被检组织）周围重新布置光电探测器而极大的推进了对信号（由体内组织反射散射）的探测能力。利用这一方法，科学家能够收集并分析对准生物样本的大约30%的激光，较此前的SRS显微镜技术方法提高了30倍。

目前科学家运用各种各样的技术来观察生物分子，但大多数都受到了很大的限制，SRS则成功地绕过了这些障碍。用绿色荧光蛋白（GFP）作标记可提供鲜明的图像，但是这种蛋白的块头太大，对块头小得多的生物分子来说太霸道，从而干扰了（生物体内）精密的生物通道。传统红外探测（IR）显微镜低空间分辨率低，需要脱水样本，而自发性拉曼显微镜则需要高功率激光与很长的积分时间，因而限制了其在活体标本上的运用。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微技术则由Xie自己的研究团队率先开发，对脂质以外的大多数分子进行成像时对比度不足。

Saar、Freudiger与Xie这篇论文的共同作者是哈佛大学化学与化学生物学系的Gary R. Holtom与佛蒙特州贝勒斯福尔斯的克罗玛技术公司的Jay Reichman与C. Michael Stanley。德国勃林格殷格翰医学研究基金会（Boehringer Ingelheim Fonds）、比尔与梅琳达?盖茨基金会与国立卫生研究院为其研究工作提供了资金。

参考文献：

1.Brian G. Saar, Christian W. Freudiger, Jay Reichman, C. Michael Stanley, Gary R. Holtom, and X. Sunney Xie. Video-Rate Molecular Imaging in Vivo with Stimulated Raman Scattering. Science, 2010; 330 (6009): 1368-1370 DOI: 10.1126/science.1197236

原英文报道地址： http://www.sciencedaily.com/releases/2010/12/101202141912.htm

Science 论文地址： http://dx.doi.org/10.1126/science.1197236