超分辨光学显微镜——用“慧眼”探秘世界
时间:2019-03-15      文章来源:科学导报      责任编辑:王强

    0.1毫米,这是人类肉眼分辨的极限,如果想看得更小、更清,就需要借力探微神器——显微镜。前不久,中国科学院苏州生物医学工程技术研究所(简称“苏州医工所”)承担的国家重大科研装备研制项目——“超分辨显微光学核心部件及系统研制”通过验收,标志着我国具备了研制高端超分辨光学显微镜的能力。

  苏州医工所科研人员在实验室开展研究。
资料图

    据“超分辨显微光学核心部件及系统研制”项目负责人、苏州医工所所长唐玉国介绍,“与以往的光学显微镜相比,我们自主研发的超分辨光学显微镜,其成像分辨率从200~300纳米提高到了50纳米,性能指标可媲美国际主流产品”。这意味着,我国终于掌握高端光学显微镜核心技术,将为相关前沿领域的原创性研究提供重要技术支持。


1、探秘微观世界的神器
    为看清变幻莫测的大千世界,1665年,英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究的光学显微镜,用以观察薄薄的软木塞切片,进而发现了细胞。这一对未知的探索让人们接触到显微镜下的一个微观世界,犹如一束光照进黑不见底的深渊,点燃了科学家们研发光学显微镜的热情。
    借助光学显微镜,科学家们在微观世界里纵横驰骋,第一次发现了细菌和微生物,但不久却遭遇冰冷的现实:由于存在一道无法逾越的“墙”——光学衍射极限,传统光学显微镜的分辨率只能达到200纳米(0.2微米)左右。换句话说,如果物体小于0.2微米,通过光学显微镜将仅能看到一个模糊的光斑,科学家因而无法从分子层面研究活细胞。
    随着科学家们不断努力,后来诞生了电子显微镜等微观观测设备,借助它,人们可以看得更小更清。比如,一粒一粒的原子。不过,尺有所短寸有所长,目前已将分辨率做到几纳米的电子显微镜也存有劣势。“由于需要抽出真空,电子显微镜只能用来观测固体标本,不能用于活体观测。而对于生物学、医学方面的研究,更希望在生命体存活的自然状态下观察。对此,光学显微镜拥有先天优势。”唐玉国解释。
    2014年,3位科学家打破了光学衍射极限——让光学显微得以窥探纳米世界。这意味着,在只有约200纳米的全球最小细菌面前,人类终于借助光学显微镜看清了他们的生动面目。

2、练就一双“火眼金睛”

    因为有了光学显微镜,曾经“雾里看花”般的微观世界日渐清晰。然而有些尴尬的是,我国虽是光学显微镜消费大国,却仅能生产中低端产品。据有关统计,目前我国使用的高端光学显微镜几乎全部来自徕卡、蔡司、尼康和奥林巴斯等外国公司。
    由此带来的结果是,高端光学显微镜进口价格动辄两三百万元,部分种类高达七八百万元。更不利的是,作为生命科学和材料科学研究的利器,光学显微镜研制核心技术的缺失,严重制约了相关前沿领域的重大科学发现和技术创新。
    唐玉国说,在当今生物学和基础医学研究中,超分辨光学显微镜发挥着不可替代的作用。其中,10~100纳米尺度的超分辨显微光学成像是取得原创性研究成果的重要手段。
    在微生物学领域,科学家对微生物的活体动态观察有望揭示许多重要生命现象;在细胞生物学领域,科学家可以观察细胞内特定蛋白质的亚细胞定位,及其在细胞器组装中的动态变化;还可以揭示病毒入侵细胞的机制,以及神经元细胞互联机制等,以便深入研究一些重大疾病的发生机理。
    开展超分辨光学显微镜关键技术研究时不我待。2014年,苏州医工所瞄准国家重大仪器专项——“超分辨显微光学核心部件及系统研制”发起“进攻”。
    历时5年攻关,苏州医工所科研人员研制出包括激光扫描共聚焦显微镜、双光子显微镜、受激发射损耗(STED)超分辨显微镜、双光子-STED显微镜等4类高端光学显微镜,突破光学衍射极限,将分辨率从200纳米逐步做到了50纳米。
   “双光子和STED两种显微镜并不鲜见,但将两者有机融合还是首次。因为两者各有利弊,比如,双光子显微镜能看到样本中深层结构,但看不了尺度100纳米以内的细节结构;而STED显微镜成像分辨率能达到50纳米,但成像深度很浅。”苏州医工所研究员张运海告诉笔者,在一些脑科学研究中,经常需要观察一些比较厚的脑切片结构,如果用两台显微镜分别观察深层结构和100纳米以内的细节结构,需把样品从一台显微镜挪动到另一台显微镜,如此一来,就找不到原来观察的位置了,很容易产生误差。
   “有了这台双光子-STED显微镜,科学家就可以方便地观察深层结构和表层感兴趣区域的精细结构。”张运海说。

3、找回失去的“阵地”

    大数值孔径物镜,这是让唐玉国心存自豪的一项重大创新。
   “数值孔径是物镜的主要参数,也是衡量显微镜性能的重要指标,数值孔径越大,显微镜的分辨力越高。”唐玉国说,物镜数值孔径一般为0.05~0.95,采用十几片玻璃镜片叠加校正的方式。对此,苏州医工所突破了制约我国超分辨光学显微镜制造的瓶颈技术,研制出我国首个具有自主知识产权的数值孔径为1.45的物镜。
    这代表着什么?唐玉国打了个比方:普通的显微镜只能看清细胞这一层面,超分辨光学显微镜则是火眼金睛,“有了苏州医工所研发的这双‘慧眼’,科学家们可以对活体细胞开展分子水平上的研究。比如,进一步观察细胞内部的精细结构及其变化、运动状态,并有望将其应用到临床研究中,观察药物是如何进入并作用于细胞的,从而助力新药研发。”
    时光不负情深。如今,“超分辨光学显微镜”项目研制的显微镜和关键部件已有部分成果实现销售,包括双光子显微镜已销往德国、以色列、美国等的多家国外研究机构,北京大学、中国科学院神经科学研究所等国内科研机构也已使用该设备。
    更重要的是,一些应用已取得了部分成果。中国科学院动物研究所利用高端光学显微镜观察发育生物学中的基本现象,研究潜在调控机制。中国科学院上海药物研究所应用高端光学显微镜观察药物胞内靶向定位和输送,加速创新性新药研发。美国斯坦福大学、日本东京大学等专业实验室利用双光子显微成像技术进行了信息识别、行为控制等脑科学核心问题的研究,以及动物在体成像实验,获得了高分辨实时神经元活动成像数据。
    此外,项目成果中具有自主知识产权的特种LED光源体系已具备国际竞争力,支撑了包括新一代投影、光医疗仪器以及远程照明等新兴产业的快速发展;共聚焦显微镜也已完成工程化,将进行产业化生产和销售。
    结合工程化及成果转化创新模式,苏州医工所实现了科技成果在研发平台、工程化平台、产业化平台、市场平台的高效对接。下一步,唐玉国计划通过系列化、组合化的产品布局,对显微镜系统和核心部件进行工程化、产业化,力争将失去的“阵地”一点点找回来。

沈慧