重磅级研究解读多种显微镜技术如何助力癌症等领域研究

2017年诺贝尔化学奖授予给了美国、英国和瑞士三国的科学家，获奖原因是这三位研究者发明了用于生物分子的高分辨率结构测定的冷冻电子显微镜，诺贝尔奖评委会介绍，冷冻电子显微镜将生物分子迅速冷冻（玻璃化冷冻），使其自然形状得以保留，简化并改进了生物分子的成像，这种方法使生物化学进入了一个新的时代，对理解生命的化学原理及研发药物都至关重要。

近年来，科学家们开发了并利用了多种显微镜技术在癌症等多种疾病的研究领域取得了诸多可喜的研究成果，本文中，小编对近年来相关研究进行整理，分享给大家！

【1】2017诺贝尔化学奖：三科学家发明冷冻电子显微镜

继前日和昨日分别各有三名美国科学家获得生理和医学奖、物理学奖后，2017年诺贝尔科学奖得主名单上终于出现了非美国学者。北京时间10月4日下午5点45分许，诺贝尔奖评委会主席格荣·汉森（Goran Hansson）宣布，因发明用于生物分子的高分辨率结构测定的冷冻电子显微镜（cryo-electron microscopy），瑞士洛桑大学的雅克·杜伯谢（Jacques Dubochet）、美国哥伦比亚大学的约阿希姆·弗兰克（Joachim Frank）和英国剑桥大学的理查·亨德森（Richard Henderson）获得2017年度诺贝尔化学奖。

三位获奖科学家都已七十多岁，是冷冻电镜领域的“元老派”。雅克·杜伯谢1942年出生于瑞士艾格勒，现为瑞士洛桑大学名誉生物物理学教授；约阿希姆·弗兰克1940年出生于德国锡根，现为美国哥伦比亚大学生物化学、分子生物物理学及生物科学教授；理查·亨德森1945年出生于苏格兰爱丁堡，现为英国MRC分子生物学实验室项目主任。

【2】Nat Biom Engin：突破！科学家开发出能更加准确检测癌症的新型3D显微镜技术！

doi：10.1038/s41551-017-0139-0

日前，一项刊登在国际杂志Nature Biomedical Engineering上的研究报告中，来自瑞典卡罗琳学院和卡罗琳大学医院的研究人员通过研究开发了一种新型的显微镜技术，相比当前的二维方法而言，这种新技术能够在三维环境下检测肿瘤组织并能更准确地对癌症进行诊断。

每天全世界的病理学家们都会大量的肿瘤组织进行检测，检测结果能够及时指导癌症患者进行治疗，但有时候科学家们却很难对癌症进行准确诊断，这就意味着患者可能会被给予错误的治疗方法，从而耽误病情甚至引发患者死亡。

当前评估肿瘤发展阶段的病理学检测方法通常利用二维光学显微镜检查技术，癌症阶段能够描述癌症的发展和扩散程度，对于患者进行及时准确的治疗非常重要，而利用该方法对癌症组织进行三维分析仅仅能够看到实现二维观测，并不是最好的，而且常常会引发信息差。

【3】超分辨率荧光显微镜技术成功运用于外泌体的成像和追踪

DOI：10.1021/acsami.6b09442

外泌体是由细胞分泌的小膜泡，富含大量的蛋白质。考虑到外泌体在不同生理活动中的显著作用以及在诊断、药物释放方面潜在的价值，研究人员在外泌体的体外追踪和内含物分析方面做了很大的努力。

目前，各种超分辨率显微镜的出现为外泌体的研究提供了强大的工具。2016 年 9 月，东南大学先进光子学中心主任崔一平教授团队在 ACSapplied materials & interfaces 杂志（IF=7.145）发表文章，展示了超分辨率成像技术（PALM / STORM）的单分子定位在癌症外泌体的成像和示踪上应用。

在实验中，首先从肿瘤细胞的培养基中提取癌细胞来源的外泌体。然后将外泌体膜受体标记上光控探针，通过光敏定位显微镜（PALM）或随机光学重构显微镜（STORM）即可对这些膜受体进行超分辨率成像。使用人类乳腺癌细胞来源的外泌体，发现对外泌体的 2 种膜受体同时标记可利用 PALM/STORM 同时成像。

【4】Nat Protocols：利用低温光学和电子显微镜联合技术观察并研究活体病毒

doi：10.1038/nprot.2016.168

光镜和电镜研究领域的巨大进步目前正在改善科学家们对多种病毒可视化研究的能力，比如HIV、呼吸道合胞体病毒、麻疹病毒、流感病毒以及寨卡病毒等，近日，一项刊登在国际杂志Nature Protocols上的研究报告中，来自埃默里大学医学院等研究机构的研究人员通过研究开发出了一种新型的低温相关的光镜和电镜工作流（工作站，cryo-CLEM）。

此前研究中，研究者对纯化的病毒进行研究能够获取多种已知病毒电子显微镜图像，然而病毒纯化的过程常常会使得包膜病毒的结构发生改变，因此研究者Wright及同事就对当前技术进行了改善来研究病毒的结构特性，因此如今研究者就能够清楚观察到病毒进入细胞并在细胞中组装的信息了。研究者表示，我们非常想知道某些病毒如何在细胞中复制，如今我们在光镜和电镜之间建立了一种“桥梁”，我们希望通过这种联合技术能够更加清楚地观察病毒的作用机制。

【5】Science：重磅！开发出分辨率仅为一纳米的荧光显微镜

doi：10.1126/science.aak9913

光学显微镜的最高目标是改善这种方法的分辨率以至于一个人能够单个地区分彼此间挨得非常近的分子。如今，来自德国马克斯-普朗克生物物理化学研究所的诺贝尔奖得主Stefan Hell和同事们实现了长期以来被认为是不可能实现的目标：他们开发出一种新的被称作MINFLUX的荧光显微镜，从而首次允许利用光学手段区分彼此间相隔几纳米的分子。这种显微镜在分辨率上要比常规的光学显微镜高出100倍，而且甚至超过迄今为止最好的超分辨率光学显微镜--- Hell开发的STED和诺贝尔奖得主Eric Betzig描述的PALM/STORM ---高达20倍。对MINFLUX而言，Hell以一种全新的概念结合了STED和PALM/STORM的优势。这一突破为科学家们在分子水平上研究生命如何发挥功能提供新的机会。相关研究结果于2016年12月22日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes”。

Hell解释道，“我们利用MINFLUX实现1纳米的分辨率，这是单个分子的直径---在荧光显微镜中可能实现的最终分辨率限制。我深信MINFLUX显微镜有潜力成为细胞生物学最为基础的工具之一。基于此，在分子细节上绘制细胞图谱和实时观察它们内部快速发生的过程将是可能的。这可能能够在我们了解活细胞中发生的分子过程方面引发变革。”

【6】重大突破：电子显微镜拍出细胞彩照！

想象一下，假如世界失去了色彩，只剩下黑白灰的组合，我们眼前的风景会变成什么样？在电子显微镜下，我们所能看到的就是这样一个世界。电子显微镜能帮助我们观察微小的病毒、细胞超微结构，但它只能得到黑白的灰度图片。

而在最近，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究者们研发了一种新技术，使得“用电镜拍彩照”成为了可能。他们用特殊染料标记样品，得到了多色的电镜成像，这是怎么做到的呢？

在过去，光学显微镜带领着人们第一次走进了肉眼不可辨别的微观世界，微生物和各种生命体内的微观结构开始为人所知。不过，当人们需要观察更加微小的结构时，光学显微镜的放大倍数就显得不够用了：受到衍射的影响，光学显微镜的分辨极限大约在200 nm，在此基础上即使再去放大，也无法看到清晰的成像了。为进一步提高分辨率，科学家们就用波长短得多的电子束替代了可见光，制造出了电子显微镜。电子显微镜使微观成像的分辨达到了 0.1 nm，这项重要的技术的研发者1986年获得了诺贝尔物理学奖。

【7】PLoS Pathog：首次利用高分辨率电子显微镜观察肠道中HIV感染

doi：10.1371/journal.ppat.1003899

众所周知，人肠道在消化中起作用。但是它也在免疫系统中发挥着一种显著性的作用。事实上，它是HIV感染早期阶段体内首先受到攻击的部分之一。了解这种病毒如何感染细胞和在肠道中如何积累是开发新疗法的关键。在一项新的研究中，来自美国加州理工研究所的研究人员首次利用高分辨率电子显微镜观察受到感染的有机体内真实肠道组织中的HIV感染，从而对肠道中的HIV感染进行迄今为止可能是最为详细的描述。相关研究结果近期发表在PLoS Pathogens期刊上，论文标题为“Electron Tomography of HIV-1 Infection in Gut-Associated Lymphoid Tissue”。

论文第一作者Mark Ladinsky说，“在真实的组织内研究实际的感染是一大进步。对诸如HIV之类的病原体而言，这是非常困难和危险的，这是因为该病毒具有传染性。我们使用一种植入人组织的模式动物，因此我们能够在其正常环境中研究这种真正的病毒。”

Ladinsky与Pamela Bjorkman教授一起对来自经改造后具有人免疫系统的小鼠模式动物肠道中的与被HIV感染的组织在一起的正常细胞进行三维图片拍摄。他们采用一种被称作电子X射线断层射线术（electron tomography）进行拍摄，在这种技术中，将组织样品嵌入到塑料中，然后将它放置在一种高功率显微镜下。

【8】两篇Nature子刊：利用增殖显微镜分析技术对组织中的RNA和蛋白进行纳米精度的成像

doi：10.1038/nmeth.3899

细胞含有上千个信使RNA（mRNA）分子，每个mRNA将细胞核中的DNA遗传指令携带到细胞质中的核糖体上。如今，来自美国麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出一种方法能够在完整的组织中以比以往更高的分辨率可视化观察这些mRNA分子，从而允许人们准确地绘制RNA在整个细胞中的位置。

这项新技术的关键在于在进行成像之前，让组织增殖。通过让组织样品变得更大，就能够利用在研究性实验室中经常发现的普通显微镜对它进行非常高分辨率地成像。

在一篇描述这项技术的于2016年7月4日在线发表在Nature Methods期刊上标题为“Nanoscale imaging of RNA with expansion microscopy”的论文中，论文通信作者和MIT生物工程、大脑科学与认知科学副教授Ed Boyden说，“如今，我们能够以更好的空间精准度对RNA进行成像，而且我们也能够在大的完整组织中更加容易地做到这一点。”

【9】Nature：利用电子显微镜捕捉到冠状病毒感染细胞的过程

doi：10.1038/nature16988

最近，刊登在Nature杂志上的一篇研究报告中，来自华盛顿大学等处的研究人员通过研究获得了促进冠状病毒进入细胞的突起蛋白的原子模型，对该模型进行分析或可为开发抵御冠状病毒感染的特殊疫苗提供思路。

含有突起蛋白的冠状病毒是引发全球几乎三分之一非典型肺炎的罪魁祸首，但2002年出现的冠状病毒的致死性形式SARS-CoV（非典型性肺炎病毒）和2012年出现的MERS-CoV（中东呼吸综合症冠状病毒）引发的死亡率在10%至37%之间。致死性肺炎的爆发表明冠状病毒可以从多种动物传染到人类机体，当前仅有6种冠状病毒可以感染人类，但很多冠状病毒自然状态下是可以感染动物的，而来自冠状病引发的致死性疾病暴发或许就可以克服物种的屏障，这就说明其它新型出现的具有流行潜力的冠状病毒或许是存在的，然而当前针对SARS-CoV或MERS-CoV并没有有效的疫苗或疗法。

这项研究中，研究者利用单颗粒低温电子显微技术和超级计算机进行分析，揭示了小鼠冠状病毒突起糖蛋白三聚体的架构，研究者Veesler介绍说，这种结构处于前融合的状态，随后其就会经历主要的重排来诱发病毒和宿主细胞膜的融合，进而开启感染。研究者在另一种名为副粘病毒的病毒家族中发现了冠状病毒的融合“机器”， 副粘病毒包括呼吸道病毒和引发腮腺炎的病毒等，研究者指出，冠状病毒和副粘病毒的融合蛋白可以拥有相似的机制来促进病毒进入细胞，而且他们还共享了同一种常见的进化起源过程。

【10】Nature Protocols：荧光显微镜确定单个细胞周期进程

doi：10.1038/nprot.2015.016

近日，著名国际期刊Nature Protocols在线刊登了来自美国NIH Tom Misteli研究小组的一项最新研究成果，他们提出了一个利用荧光显微镜确定单个细胞周期的实验方法。应用这种实验方法或可实现对群体中不同个体细胞周期的监测观察。

细胞周期进展是细胞最基本特征之一，传统上对细胞周期的研究主要依赖于群体分析，并通过周期相关特异性标记或者使用基因修饰系统的方法来确定，这使得对稳定的单细胞周期的确定变得非常困难。因此，研究人员提出一个应用高分辨率成像的荧光显微镜测量DNA含量来确定单个细胞周期的实验方案，这种方法是基于对DNA的染色，通过图像分析精确定量完整细胞核的荧光强度，并且能够与其他组化方法联合使用。Tom Misteli研究小组开发的双通道自动图像分析算法，结合商业软件或者开源软件能够导出对不同个体细胞周期的描述。这个实验方案适用于贴附细胞并且可使用几种不同的DNA染料。

【11】美科学家开发出原位检测艾滋病病毒的分子显微镜

艾滋病病毒原位分析技术再次取得突破。美国科学家在上周召开的国际艾滋病会议上，展示了他们开发的全新检测技术及检测结果，这个被称为“分子显微镜”的探针能够准确检测到艾滋病病毒在细胞内外的隐藏之地。

美国过敏性和传染性疾病研究所疫苗研究中心副主任瑞查得·普表示，这一分子显微镜新技术堪称神奇，它的超能力完全可以洞察到艾滋病病毒在任何细胞内的蛛丝马迹，最终能帮助弄清艾滋病病毒长时间存留的谜底，从而将其从体内彻底清除。

目前所用的检测组织中艾滋病病毒的原位分析技术都面临共同的大难题。这些探测技术，无论是利用荧光物质作标记物，还是放射性物质作标记，在精确定位组织样本中艾滋病病毒的位置时，经常难以将周围的细胞物质与目标检测物，如艾滋病病毒的RNA和DNA区别开来。这些标记物会将细胞组织当作病毒进行错误识别，对结果分析造成背景干扰。