作為*位獲美國麥克阿瑟基金會“天才獎”的華人女科學家，莊小威教授獲得了許多重要成果，尤其是在生物物理顯微成像領域，近期莊小威教授發(fā)表了題為“Breaking the Diffraction Barrier: Super-Resolution Imaging of Cells”，描述了超分辨率細胞成像的進展。

傳統(tǒng)光學顯微鏡受限于光的波長，對于200nm以下的小東西只能搖頭興嘆。雖然電子顯微鏡可以達到納米級的分辨率，但通電的結(jié)果容易造成樣品的破壞，因此能觀測的樣本也相當有限。分子生物學家雖然可以做到把若干想觀察的蛋白質(zhì)貼上熒光卷標，但這些蛋白質(zhì)還是經(jīng)常擠在一塊，在顯微鏡下分不出誰是誰。

這幾年高分辨率熒光顯微鏡跨越了一大步，使得研究者可以從納米級觀測細胞突起的伸展，從而宣告200—750納米大小范圍的模糊團塊的時代結(jié)束了。比如利用光敏定位顯微鏡：PALM可以用來觀察納米級生物，相較于電子顯微鏡有更清晰的對比度，如果給不同蛋白接上不同的熒光標記，就能用來進一步研究蛋白質(zhì)間的相互作用。

莊小威研究組一直在研究如何用光敏開關探針來實現(xiàn)單分子發(fā)光技術。他們希望能用光敏開關將原本重疊在一起的幾個分子圖像暫時分開，這樣就能獲得單分子圖像，從而提高分辨率。

2004年莊小威研究組偶然發(fā)現(xiàn)某種花青染料具有光控開關，也就是說，通過使用不同顏色的光，可以隨意地把它們激活成熒光狀態(tài)和失活成黑暗狀態(tài)。自此莊小威生開始研究這些光控探針，用它們來短暫地分離個體分子在空間上的重疊影像從而提高分辨率。

之后這一研究組在Nature Methods雜志上發(fā)表，命名了一種隨機光學重建顯微鏡（stochastic optical reconstruction microscopy, STORM）。使用STORM可以以20nm的分辨率看到DNA分子和DNA-蛋白質(zhì)復合體分子。這一方法基于光子可控開關的熒光探針和質(zhì)心定位原理，在雙激光激發(fā)下熒光探針隨機發(fā)光，通過分子定位和分子位置重疊重構(gòu)形成超高分辨率的圖像，其空間分辨率目前可達20nm。STORM雖然可以提供更高的空間分辨率，但成像時間往往需要幾分鐘，同時還不能滿足活體實時可視的成像的需要，發(fā)展空間很大。

近期莊小威研究組也在Science雜志上也發(fā)表了他們的3D STORM成像成果，該技術的空間分辨率比以往所有光學3D成像技術的分辨率都要高出10倍。研究人員展示了用3D STORM成像技術拍攝的腎細胞內(nèi)微管結(jié)構(gòu)圖和其它的分子結(jié)構(gòu)圖。隨后，他們又進一步將該技術發(fā)展成了多色3D成像技術（multicolor 3D imaging）。

除了莊小威研究組之外，另外一個華人研究團隊在這方面也獲得了杰出成果，來自哈佛大學的謝曉亮教授在單分子光譜檢測及其在生命科學中的應用方面也作出了許多貢獻，十年前，謝曉亮教授因為發(fā)布了CARS顯微技術而引發(fā)了巨大轟動。這種技術通過一種叫做自發(fā)拉曼散射的現(xiàn)象來增強信號。在自發(fā)拉曼散射中，樣品內(nèi)的化學鍵能夠改變通過其中的光的波長。更早使用的拉曼散射顯微術要求的激光功率很高，而且有時候需要曝光時間長達一天。

近期謝曉亮教授研究組將SRS顯微技術與核磁共振成像（MRI）技術聯(lián)合起來，從而能快速靈敏的捕捉活體組織中分子運動，比如血細胞擠壓通過血管的過程。

這項技術鏡頭分辨程度達到亞細胞水平，可記錄下蛋白、脂肪及細胞內(nèi)液的情況。由于SRS顯微鏡可以探測到原子間化學鍵的共振，因此無需熒光標記。研究人員認為SRS顯微鏡可以在腫瘤摘除手術方面有所幫助，加快手術進程。傳統(tǒng)的樣本分析需要花費約20分鐘，SRS 顯微鏡幾乎可以做到實時掃描。

同多種常用的觀察生物分子的技術相比，新型SRS顯微技術優(yōu)勢明顯：它能采集分析照射生物樣本的近30%激光，比傳統(tǒng)SRS顯微鏡高出30倍；并且不需要插入熒光標記，避免了綠色熒光標記蛋白質(zhì)擾亂生物路徑或壓住較小生物分子的問題。此外，傳統(tǒng)的紅外顯微鏡空間分辨率太低，并需要給樣本脫水；自然的拉曼顯微鏡需要很高的激光能量，整體耗時很長，在活樣本中的應用受到限制；相干反斯托克拉曼散射顯微鏡在拍攝除了脂質(zhì)以外的大多數(shù)分子時對比度不夠，而新型SRS顯微技術都能突破這些局限。

原文摘要：

Breaking the Diffraction Barrier: Super-Resolution Imaging of Cells

Summary
Anyone who has used a light microscope has wished that its resolution could be a little better. Now, after centuries of gradual improvements, fluorescence microscopy has made a quantum leap in its resolving power due, in large part, to advancements over the past several years in a new area of research called super-resolution fluorescence microscopy. In this Primer, we explain the principles of various super-resolution approaches, such as STED, （S）SIM, and STORM/（F）PALM. Then, we describe recent applications of super-resolution microscopy in cells, which demonstrate how these approaches are beginning to provide new insights into cell biology, microbiology, and neurobiology.

來源：生物通