人体细胞成像新方法可以清晰精确地观察内部

这就是《大白鲨》在一个多小时内游离视线的原因，这也暗示了礼品包装的魅力。在电影院、起居室，甚至实验室中，可以指望看不见的刺激让我们不断猜测。但当谈到隐藏的细胞化学世界时，科学家们就不必再好奇了。

受同样刺激的启发，贝克曼高级科学技术研究所的研究人员开发了一种创新方法，可以以无与伦比的清晰度和精确度“看到”人体细胞的精细结构和化学成分。他们的技术于本周早些时候出现在PNAS上，采用了一种创造性且违反直觉的方法来检测信号。

“生物学是我们这个时代最激动人心的科学之一，因为我们能看到的东西和我们不能看到的东西之间总是存在鸿沟，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的生物工程学教授RohitBhargava说，他领导了这项研究。学习。

作为我们身体中最小的功能单位，细胞长期以来一直吸引着研究人员的注意，这些研究人员有兴趣确定它们是由什么构成的以及每个元素所在的位置。“什么”和“哪里”共同构成了一个通用的细胞蓝图，可用于研究生物学、化学、材料等。

在这项研究之前，获得该蓝图的高分辨率副本是不可能的。

“现在，我们可以比以往更容易地以更精细的分辨率和重要的化学细节来观察细胞内部，”Bhargava说。“这项工作开启了一系列可能性，包括一种新的方法来检查控制人类发展和疾病的化学和物理方面的结合。”

研究人员的工作建立在化学成像领域先前取得的进展之上。

光学显微镜使用可见光来照亮颜色和结构等表面特征，而化学成像则使用不可见的红外光来揭示样品的内部结构。

当细胞暴露在红外光下时，它的温度会升高，并且会膨胀。我们从夜视镜知道，没有两个物体以完全相同的方式吸收红外波长;将贵宾犬与公园长椅进行比较就足以证明，较暖的物体比较冷的物体发出更强的红外信号。细胞内部也是如此，其中每种类型的分子吸收波长略有不同的红外光，并发出独特的化学特征。检查吸收模式——一种称为光谱学的方法——可以让研究人员查明每个吸收模式的下落。

与夜视镜不同，研究人员不会将吸收模式分析为色谱。相反，他们用一个信号检测器来解释红外波：一端固定在显微镜上的微小光束，其尖端像唱机的纳米针一样刮擦细胞表面。

在过去十年中，光谱学的创新集中在稳步增加初始红外波长的强度上。

“这是一种直观的方法，因为我们习惯于认为信号越大越好。我们认为，‘红外信号越强，细胞的温度就越高，它膨胀得越多，就越容易被看到，’“巴尔加瓦说。

这种方法隐藏着一个相当大的挫折。随着细胞膨胀，信号检测器的运动变得更加夸张并产生“噪音”：所谓的静电会阻碍准确的化学测量。

“这就像调高静电广播电台的音量——音乐变大，但静电也变大，”Bhargava教授实验室的博士后研究员、该研究的主要作者SethKenkel说。

换句话说，无论红外信号变得多么强大，化学成像的质量都无法提高。

“我们需要一种解决方案来阻止噪声随着信号的增加而增加，”肯克尔说。

研究人员通过将IR信号与探测器的运动分开来解决嘈杂的细胞成像，从而在不增加噪音的情况下进行放大。

研究人员没有将精力集中在可能最强的红外信号上，而是开始试验他们可以控制的最小信号，确保他们能够在提高强度之前有效地实施他们的解决方案。根据Kenkel的说法，虽然“违反直觉”，但从小处着手让研究人员能够纪念十年的光谱学研究，并为该领域的未来奠定重要基础。

Bhargava将这种方法比作出了差错的公路旅行。

“想象一下，光谱研究人员坐在车里，开往大峡谷。当然，每个人都会认为车开得越快，他们就能越快到达目的地。但问题是，这辆车是从厄巴纳向东行驶的，“他说。

提高假设汽车的速度类似于增强红外信号。

“我们把车停在路边，看了看地图，然后将汽车指向正确的方向。现在，速度的提高——信号的增强——可以有效地推动场地向前发展。”

研究人员的“地图”能够在纳米尺度上对细胞进行高分辨率化学和结构成像——这个尺度比一缕头发小100,000倍。值得注意的是，这种技术没有荧光标记，也没有染色分子以增加它们在显微镜下的可见度。

虽然贝克曼显微镜套件中的设施对研究的实验阶段至关重要，但这个想法本身并不是来自复杂的技术，而是来自支持好奇心、非常规问题解决和多元化观点的文化。

“这就是为什么贝克曼研究所是一个了不起的地方，”巴尔加瓦说。“这个项目需要来自光谱学、机械工程、信号处理，当然还有生物学的想法。除了贝克曼，你无法将这些领域无缝地结合起来。这项研究是贝克曼在前沿融合跨学科科学的典型例子先进的科学技术。”