圣路易斯华盛顿大学实现细胞的六维成像

       近日，圣路易斯华盛顿大学Matthew Lew实验室提供了一种微观观察的全新方法，并且研究成果以两篇论文的形式由麦凯维工程学院的两名博士生分别发表在期刊《Optica》和《Nano Letter》上。

图1 分子与周围环境相互作用的艺术效果图，Lew实验室的最新研究开辟了微观动态成像的新世界。（图片来源：Oumeng Zhang）

       针对这种显微方法，他们开发出新硬件和新算法，使其可视化生理世界的三维构建模块，这在之前是闻所未闻的。细胞是3D物体，填满了“一些物质”——分子——使细胞可以四处移动、绕着转、自转和翻滚，从而驱动本体生命。

       与传统显微镜一样，Lew实验室的两名在读博士生Tingting Wu和Oumeng Zhang利用光来窥视微观世界，但他们的创新并不传统。目前，研究人员对于光学成像的反射强度以及颜色（波长）感兴趣，却忽略了光的其它信息，如偏振。

       “Oumeng的研究在于偏振扭曲，”电气与系统工程系Lew教授说，“通过这种方式，我们既可以看到物体如何平移（沿直线移动），同时又可以看到物体如何旋转。”——这是传统光学成像无法做到的。

       “新技术和性能的发展让我们能看到以前看不到的东西，”Zhang说。这种同时追踪旋转和位置信息的独特能力使其对生理材料（例如人类细胞和病原体等）如何相互作用提供了独特的视角。

       此外，Wu的研究工作提供了一种新方法成像细胞膜，并在某种程度上能看到它们的内部情况。利用荧光示踪分子，她绘制了示踪分子如何与细胞膜上的脂肪和胆固醇分子相互作用，确定了脂质的排列和组织方式。

       “任一细胞膜、任一细胞核和细胞内的任一物质都是3D结构，”她说，“这有助于我们探索细胞系统的全貌。因为对于任何生物样本，我们可以看到三维以上的物质——3D空间结构加上分子的空间位置，即六维成像。”

       并且，研究人员开发了计算成像技术，将软件和硬件结合起来，成功地看到了先前无法可视的微观物质。

       “这只是一部分创新，”Lew说，“一般生物成像技术总是与商业制造商合作。但如果我们以不同方式开发技术，我们能够做的就多得多。”