超分辨显微镜技术在细胞和生物成像中的应用.pdfVIP

超分辨显微镜技术在细胞和生物成像中的应

用

在生物学领域中，对细胞结构和动态变化的理解一直是一个难

题，传统的显微镜只能观察到细胞表面的外形和部分细胞器，无

法解析出更高分辨率的图像。随着光学技术的发展，超分辨显微

镜技术的出现填补了这一空白，使得对细胞和生物体内复杂结构

的研究得到了巨大的进展。本文将介绍超分辨显微镜技术在细胞

和生物成像中的应用。

一、超分辨显微镜技术的基本原理

传统的光学显微镜存在一个重要限制，即分辨率受光学衍射极

限的制约。根据衍射原理，可见光的波长决定了显微镜的分辨率。

当物体的尺寸小于波长时，传统光学显微镜将无法解析出其细节。

因此，为了破除这个难题，超分辨显微镜技术应运而生。超分辨

显微镜技术主要分为以下四类：刺激发射显微镜STED（）、结构

光显微镜（SIM）、单分子定位显微镜（SMLM）和闪避光片段显

微镜（PALM）。

二、超分辨显微镜技术在细胞成像中的应用

超分辨显微镜技术应用在细胞成像中可以解析出细胞内的细节

结构，如细胞核、微管、线粒体、细胞膜等。这些结构通常具有

尺寸在20至500纳米之间的范围，是传统光学显微镜无法解析的

尺寸。下面将分别介绍这些结构在细胞成像中的应用。

1.细胞核

细胞核是细胞内最重要的结构之一，其中存在许多生物过程，

如基因表达调控、DNA复制和RNA合成等。超分辨显微镜技术

可以为生物学家提供更多的结构和功能信息，在细胞核内更精确

地定位DNA和核蛋白等关键分子的分布。

2.微管

微管系统是细胞骨架网络的一个组成部分，微管动态重组是细

胞分裂、质膜转运和细胞迁移等过程中的一个基本步骤。超分辨

显微镜技术可以为生物学家提供更高分辨率的微管结构成像，例

如束状微管、微管端部和微管对接等。

3.线粒体

线粒体是细胞内的一个基本器官，是膜包裹的胞质网状结构，

能够维持细胞的能量代谢。超分辨显微镜技术可以揭示线粒体的

微观结构和空间定位，例如线粒体内膜结构、线粒体膜结构和线

粒体与细胞器的联系等。

4.细胞膜

细胞膜是细胞表面最外层的衬衣，其由脂质双层结构组成。超

分辨显微镜技术可以揭示细胞膜表面的结构和固有的形态变化，

例如细胞膜上的蛋白质结构、细胞膜的弯曲和形状变化等。

三、超分辨显微镜技术在生物成像中的应用

超分辨显微镜技术不仅可以应用于细胞成像，也可以应用于生

物成像。其分辨率比传统的显微镜要高得多，可以解析出更小和

更精细的细节和特征。下面将分别介绍这些结构在生物成像中的

应用。

1.神经元成像

超分辨显微镜技术可以揭示神经元的结构，例如神经元突触、

轴突和树突等。它可以帮助研究神经元的形态和功能，如轴突传

递、神经元突触再建等。在神经科学研究中，超分辨显微镜技术

也是一种重要的工具。

2.肿瘤细胞成像

超分辨显微镜技术可以针对肿瘤细胞成像，例如血管内皮细胞、

纤维细胞和乳腺癌细胞等。它有助于研究肿瘤细胞的形态、结构

和功能，可以为癌症诊断和治疗提供一些指导和支持。

四、总结

超分辨显微镜技术使新型的高分辨显微成像成为可能。通过超

分辨显微镜技术，可以在更高精度的水平上在线体成像生物过程，

进一步得到生物学问题的解决。此外，已经有许多新的超分辨显

微镜技术正在不断发掘，将在未来的生物学研究中发挥更为重要

的作用。