《自然—方法学》特写：无需标记的激光特技

最近出版的《自然—方法学》刊登特写文章——《无需标记的激光特技》（Laser tricks without labels），称非线性光学显微术可帮助科学家看到活体细胞和组织中的化学组成。

两年前，Annika Enejder在她关于线虫的脂肪贮存研究中，遇到一个令人困惑的结果。荧光显微图像非常清晰地表明，在用他汀类药物处理这些蛔虫时，来自脂肪粒的信号将降低。他汀类药物是一类被广泛用于降低胆固醇的药物。然而，在同时进行的另一种显微实验中，直接观察脂肪颗粒却看不到这样的变化。实际上，相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微技术能够识别出脂肪颗粒，而荧光显微技术做不到。

一个富含蛋白质的毛发及其周围的富含脂肪的皮脂腺。该图像是通过受激拉曼散射方法采集的，绿色为脂肪，蓝色为蛋白质。

其实是这么回事，用常用的Nile red荧光染料饲喂的线虫把这种染料当作毒物处理了：染料被隔离到脂肪粒周围的肠类溶酶体颗粒中，而不是脂肪粒中。实际上，这种染料还在别的方面具有误导性：他汀类本身似乎会影响它的染色或者荧光。“在使用荧光基团的时候，有很多假象要考虑到。” 来自位于瑞典查尔姆斯理工大学的Enejder说。

没人能够否定荧光探针和分子染色在细胞内行为探测上的实力，但是这种标记办法仍然有诸多问题。如何标记是一个问题，尤其是对整个有机体而言。有些标记只能在已死亡的细胞内有作用；其他的标记标记方法则会损伤细胞，或者干扰所研究的生物过程。非标记的显微技术提供了一种能够大幅度降低人为干扰的活体观察技术。虽然有些技术仍然依赖内源性荧光基团，不过它们基本上可以摒弃荧光技术，也就避免遇到光漂白这个常见问题。这些新技术探测的是光在通过生物样品时被吸收或者改变时发生的微小变化，而不是探测被激发荧光基团的光子。这种办法依赖在高光功率密度下观察到的非线性光学过程。一言以蔽之，激光脉冲可以被用来“看”化学组成：脂质里面的C-H键，蛋白质里的酰胺键，还原态或者氧化态的生物分子，胶凝蛋白或者微管里面有规律地重复的单元。

当然，这样的技术也自有其局限性：与荧光标记能够识别单分子相比，非标记技术的灵敏度和特异性都要弱一些。只有特别常见的基团才不会淹没在一些丰富样品产生的信号当中。“这种技术的好处是，你不需要任何标记，你只需要去成像就行了”，荷兰癌症研究所（Netherlands Cancer Institute）的生物物理学家Kees Jalink解释道，“但是不好的地方是，信号太弱了，你需要大量能量来照射一个细胞，而可能仅仅得到一些粗枝大叶的细节。

非线性的众多模式

除CARS以外，其他可用的非标记手段包括双光子吸收，二次谐波产生（SHG）以及受激拉曼散射，每一种都有自己的配置需求和优势。然而，这些手段并没有在生物学家中间闪电般地传播开。昂贵的激光需要被耦合进显微镜；光的短脉冲需要精确的瞄准、调整和整形；探测器必须被优化，从而能够拾取信号，舍去背景。“组装这些仪器需要丰富的专业经验；这些仪器都要求苛刻”，供职于加拿大不列颠哥伦? 比亚大学化学与工程系的Robin F.B. Turner这样评价。而仅仅搭建仪器是不够的。“你得根据每天的情况重新校准”，Turner补充道。

Turner说，他有充分的理由跟踪这些技术：他想知道干细胞在分化成其它细胞的时候，其中的组分如何变化，而且再也没有比这个更好的办法能够研究这个问题了。“我们之所以选择拉曼和CARS，是因为它们能够做这种研究而不损伤细胞”，他说。其它研究手段都会毁损细胞，得到的仅仅是在某个时间点上的一个瞬间状况；这样的数据对于包含自发分裂细胞的异质性细胞培养并不是十分有用，Turner补充道，“我们想追踪细胞的生长”。

同样的优势在组织层次的研究上也很突出。比如，哈佛大学的Gary Ruvkun通过对线虫诱导RNA干扰筛选来研究上千个基因在脂质生成中的角色，同时通过一种叫做受激拉曼散射（SRS）的技术来监视这些结果。