来源：中科院物理所
作者：Katarina Zimmer
翻译：LogicMoriaty
审校：姬子隰
原文链接：Super-resolution microscopes showcase the inner lives of cells
性能强大的显微镜让我们得以从全新的视角观察细胞的生命活动。左图展示了小鼠细胞核内 DNA 复制的细节：绿色部分是细胞的\"复制机器\"，红色部分是已经复制完成的 DNA，而蓝色的则是组装成染色质的 DNA 。中图可见小鼠结缔组织细胞中，构成细胞骨架的肌动蛋白纤维呈黄色，而细胞 DNA被染成了蓝色。右图展示了一个正在一分为二的人类细胞；其遗传物质被标记为红色，而负责牵引姐妹染色单体分离的纺锤体则被标记为绿色。图片来源：洛塔·谢尔梅勒（Lothar Schermelleh）。
先进的光学显微技术正大放异彩，帮助科学家从全新的角度理解人类的生命活动以及疾病的致病机理。
借助夹在两块黄铜片之间的一枚微小的球形玻璃透镜，17世纪的荷兰显微镜学家安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）打开了微观世界的大门，成为第一个正式描述人体红细胞和精子细胞的人，并在湖水中观察到了\"微动物\"（animalcules） ，也就是现在所说的细菌和原生生物。
之后，随着光学显微镜的性能日益强大，人们进一步看到了细胞核和负责产生能量的线粒体等细胞器。但到了1873年，科学家们意识到光学显微镜的分辨率存在一个极限。当光线穿过透镜时会发生衍射，这意味着，如果两个物体的间距小于约 250 纳米（即400万分之一米），显微镜就无法分辨它们，只能看到模糊一片。这一衍射极限使得细胞结构的内部运作机制曾一度是无法触及的盲区。
虽然电子显微镜可以通过使用电子束代替可见光进行成像，从而提供更高的分辨率，但是其成像是黑白的，这导致难以区分不同的蛋白质。而且由于电镜样本通常需要固定和脱水，所以只能用来观察已死亡的细胞。
不过现在，光学工程师和物理学家们已经研发出了更加精妙的技术，成功克服了光学显微镜的衍射极限，打开了一个全新的微观细节世界。这些\"超分辨率\"光学显微技术的分辨率可达 100 纳米，有时甚至能低于 10 纳米。科学家们可以将微小的彩色荧光标签附着在单个蛋白质或 DNA 片段上，并且往往是在活细胞内，从而实时观察它们的活动。正是得益于此，科学家们正在深入理解细胞的运作机制，以及神经系统疾病、癌症和病毒感染背后的病理原因，逐步填补这些关键的知识空白。
“我们现在真的能够看到全新的生物学现象——那些我们长期以来希望看到，但是此前一直未能目睹的东西，”英国牛津大学成像中心主任、分子细胞生物学家洛塔·谢尔梅勒（Lothar Schermelleh）表示。以下正是科学家们在这个光学显微技术的新时代中所获得的的部分新发现。
突破衍射极限
谢尔梅勒解释说，超分辨率显微镜采用了多种技术来探测那些一般被衍射极限掩盖起来的细节。例如单分子定位显微技术，它利用了这样一个原理：如果光点是单独出现的，而不是挤成一团，我们就能更精确地找到它的位置。基于这个原理，科学家给想要观察的目标分子贴上特殊的荧光标签，让它们自发发光。当这些标签像星星一样忽明忽暗地闪烁时，计算机模型就能够推算出每个分子的确切位置，进而重构出样本的高分辨率图像。
还有受激发射损耗技术（Stimulated emission depletion，STED），其利用激光扫描样本，但是这束激光被另一束像甜甜圈一样的激光环所包裹，而这个激光环能把中心点周围不需要的荧光“抹去”，从而锐化显微镜的分辨率，让成像显得更加清晰锐利。第三种技术是结构光照明显微技术（Structured illumination microscopy，SIM），使用条纹状的结构光来照射样本。这些条纹光会与样本发出的光发生干涉，使得科学家能够从中推断出更多图像中原本看不清的细节。
谢尔梅勒指出，这些技术的基础原理早在 21 世纪初就已被开发出来，但直到最近，才得到真正普及，让生物学家们能够像使用普通仪器一样日常地使用它们。“如今我们是真的有大量的研究项目在拿超分辨率显微镜做正经的生物学研究，”他说，“而不再只是为了拍出好看的照片。
改写生物学教科书
得益于这些新技术，人们已经发现了全新的细胞结构。科学家们发现，神经元拥有一种独特的支架，称为“膜相关周期性骨架”（Membrane-associated periodic skeleton，简称 MPS）。它不仅能让细胞保持硬度和形状，还能协助调节神经信号的传递，对维持细胞整体功能至关重要。“MPS 几乎参与了所有的神经元功能，”哥伦比亚大学神经生物学家维克多·马卡龙-帕拉西奥斯（Victor Macarrón-Palacios）如此表示。他与他同事最近的研究指出，有一种名为 paralemmin-1的特殊蛋白质在负责构建 MPS 这一精细而复杂的结构。
专门的显微技术揭示了神经细胞具有一种特殊的内部骨架，称为“膜相关周期性骨架”。这种高度有序的纳米结构骨架受到一种名为 paralemmin-1的蛋白质调控（图中显示的荧光标记部分）。图片来源： 维克多·马卡龙-帕拉西奥斯（Victor Macarrón-Palacios）/ 马克斯·普朗克医学研究所（Max Planck Institute for Medical Research）。
新的发现表明其他的细胞结构比我们想象中的要复杂得多。2025 年早些时候，宾夕法尼亚大学的生物物理学家梅丽克·拉卡达米亚利（Melike Lakadamyali）和她的同事发现，溶酶体，这种在教科书中被认为负责分解细胞废物的细胞器，其表面可能存在不同的蛋白质组合。这说明特定的溶酶体可能还承担着其他任务，例如感知营养物质和修复受损的细胞膜。
科学家们还在研究细胞器之间是如何相互作用的。例如，美国弗吉尼亚州霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）珍利亚研究园区（Janelia Research Campus）的细胞生物学家詹妮弗·利平科特-施瓦茨（Jennifer Lippincott-Schwartz），正在深入研究线粒体是如何“停靠”在内质网上的。她关注的是两者对接处的结构细节，因为内质网不仅负责合成蛋白质，还要给线粒体输送钙和脂肪。
此类研究或许有助于揭示一些疾病的成因。去年，利平科特-施瓦茨发现，VAPB基因的突变可能会干扰内质网与线粒体的连接能力，导致内质网无法正常连接到线粒体上，而这个基因被认为与一种破坏神经的疾病，即“肌萎缩侧索硬化症”（Amyotrophic lateral sclerosis，ALS，俗称渐冻症）有关。她说，这种干扰可能会改变线粒体这一“能量工厂”的功能，从而有助于解释渐冻症是如何发病的。“对于那些导致疾病的各种基因突变，我们才刚刚开始了解它们在细胞生物学层面上究竟在起什么作用。”
深入观察人类 DNA
科学家们也在深入观察细胞核，研究其中的DNA。如果将一个人类细胞内的 DNA 取出并拉直，其长度约为两码（约 1.8 米）。为了能塞进微小的细胞核里，DNA 会像线一样缠绕在被称为组蛋白的蛋白质上，形成一串珠子似的结构，即染色质。染色质再进一步盘曲折叠，最终就形成了我们的染色体。
谢尔梅勒一直在研究哺乳动物细胞内的遗传物质是如何在三维空间中排列的。他指出，染色质的环状和簇状结构（也被称为“结构域”），只有利用超分辨率显微技术，例如使用荧光标签标记 DNA 片段，才能够看清楚。“这些结构的尺度恰好略低于衍射极限，所以以前根本没法观察研究。”
在成纤维细胞的细胞核内，一种名为H2B的DNA结合组蛋白被荧光标记为黄色。图像的上半部分是用常规宽场荧光显微技术拍摄的；下半部分则是用超分辨率显微技术拍摄的。图片来源：M.A. Ricci 等/《细胞》（Cell）2015。
例如，拉卡达米亚利就发现，由 DNA 与组蛋白构成的“串珠”，其组织结构远比科学家原来以为的要更加多变，其中某些 DNA 区域的堆积致密程度要高于其他区域。
这种打包方式决定了特定 DNA 区域的“可及性”，也就是是否容易被接触到。这一点至关重要，因为人体内不同的细胞，比如心肌细胞或神经元，只需要使用一小部分特定的基因。那些需要被使用的基因会维持在一种较为松散、易于接触的状态，而其他被“沉默”的基因则会被紧紧地压缩起来。
2015 年，拉卡达米亚利发现，能够分化成任何细胞类型的胚胎干细胞，其染色质结构非常松散；相比之下，那些已经将不需要的基因“沉默”的特化细胞，其染色质结构则紧密得多。“我们实际上可以根据染色质的空间组织形式，来判断一个细胞究竟是干细胞还是分化细胞，”拉卡达米亚利说道。她曾与人合著了一篇超分辨率技术综述，于 2023 年发表在《生物物理学年度评论》（Annual Review of Biophysics）上。
改善癌症疗法
科学家们还将目光投向了病变细胞 。例如，德国维尔茨堡大学（University of Würzburg）的生物物理学家马库斯·萨奥尔（Markus Sauer）正在研究癌细胞表面的特定受体蛋白，这些蛋白是抗癌疗法中的攻击靶点。就拿血癌来说，科学家已经能通过基因工程改造免疫细胞，让它们去追踪并消灭那些表面带有特定蛋白的癌细胞。
但是，萨奥尔表示，那些通常用来分析病人癌细胞蛋白、帮助医生选择有效疗法的技术，往往并不够全面。这一点早在 2015 年就得到了证实，当时医生发现，用针对 CD19 受体的药物治疗多发性骨髓瘤（一种血癌）效果很好。然而奇怪的是，按照当时的标准检测方法，这些癌细胞上根本就\"看\"不到 CD19。
2019 年，萨奥尔和他的同事发现，利用超分辨率显微技术，CD19蛋白其实清晰可见。并且他们研究发现，免疫疗法的\"眼力\"非常好：即便癌细胞表面混杂了成百上千种其他的蛋白质，但只要有区区10个CD19蛋白，就足以让免疫疗法识别并杀死癌细胞。”
一种新的显微技术能够点亮癌细胞表面的CD19蛋白。图中展示了多发性骨髓瘤患者细胞上的这种蛋白，检测它有助于确定哪些患者能从靶向CD19的疗法中受益。图片来源： 马库斯·萨奥尔（Markus Sauer）。
萨奥尔指出，利用这些显微技术，我们可以更精准地为患者找到对症的疗法。他最近的研究不仅发现了一种新的治疗靶点受体蛋白，还弄清楚了杀伤肿瘤的具体过程。这些新知识将有助于改善免疫疗法，让它更加有效。而做到这些的关键在于，“你必须在分子水平上亲眼看到这些过程，”他说道。
拍摄病毒入侵
病毒用来感染人类细胞并进行自我复制的那些狡猾伎俩，也是科学家们的研究对象。德国亥姆霍兹感染研究中心（Helmholtz Centre for Infection Research）的病毒学家克里斯蒂安·齐本（Christian Sieben）表示，了解这些动态过程，能帮助科学家研发出新的抗病毒药物。
例如， 2025 年初，齐本展示了甲型流感病毒感染人类细胞的过程。通过对病毒蛋白和人类蛋白进行标记，他和他的同事观察到，病毒最初只会附着在细胞表面的单个受体蛋白上。随后，病毒会静静等待，直到其他在细胞膜上游走的受体蛋白聚集到附近（因为细胞膜具有流动性）。齐本和他的同事发现，只有当病毒与多个受体结合后，它才能成功钻进细胞里。
此外，2024 年，斯坦福大学的一组科学家研究了新冠病毒（Covid-19）在人体细胞内进行复制的过程。生物物理学家列昂尼德·安德罗诺夫（Leonid Andronov）及其同事利用荧光标签标记了病毒的遗传物质，结果发现 SARS-CoV-2 会给自己制造一个具有双层膜的“气泡”，并躲在里面复制自己的遗传物质。安德罗诺夫认为，这很可能是为了躲避细胞的攻击和破坏。
当新冠病毒在人体细胞内复制时，它会将自己包裹在双层膜气泡中，以躲避细胞免疫系统的攻击。在图中，这些气泡呈现为病毒荧光标记遗传物质的团块状聚集物。图片中央的黑色圆形部分是细胞核。图片来源：L. Andronov 等/ 《自然-通讯》（Nature Communications） 2024。
随着越来越多的科学家利用超分辨率显微镜来观察细胞内部的活动，他们还能期望看到多少更深层的细节呢？拉卡达米亚利认为，技术的改进，比如研发更小的荧光探针——这使得人们能够在单个蛋白质上打上多个标签——有望进一步提升分辨率。
也许有一天，超分辨率显微镜的进步能够与电子显微镜相媲美。毕竟，就在二十年前，“我们甚至还不知道我们可以突破衍射极限，但是在这二十年里，我们取得了如此巨大的进展。所以我认为，这是完全有可能的。” 拉卡达米亚利这么认为。
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