几种超分辨率荧光显微技术的原理和近期进展

在生命科学领域,人们常常需要在细胞内精确定位特定的蛋白质以研究其位置与功能的关系．多年来,宽场/共聚焦荧光显微镜的分辨率受限于光的阿贝/瑞利极限,不能分辨出200 nm以下的结构．近年来,随着新的荧光探针和成像理论的出现,研究者开发了多种实现超出普通共聚焦显微镜分辨率的三维超分辨率成像方法．主要介绍这些方法的原理、近期进展和发展趋势．介绍了光源的点扩散函数(point spread function, PSF)的概念和传统分辨率的定义,阐述了提高xy平面分辨率的方法．通过介绍单分子荧光成像技术,引入了单分子成像定位精度的概念,介绍了基于单分子成像的超分辨率显微成像方法,包括光激活定位显微技术(photoactivated localization microscopy, PALM)和随机光学重构显微技术(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)．介绍了两大类通过改造光源的点扩散函数来提高成像分辨率的方法,分别是受激发射损耗显微技术(stimulated emission depletion, STED)和饱和结构照明显微技术(saturated structure illumination microscopy, SSIM)．比较了不同的z轴提取信息的方法,并阐述了这些方法与xy平面上的超分辨率显微成像技术相结合所得到的各种三维超分辨率显微成像技术的优劣．探讨了目前超分辨率显微成像的发展极限和方向．     

基于三通道的超分辨率显微镜成像

显微技术经过快速发展，已经突破了光学衍射极限，目前主要包含受激发射损耗显微术（STED）、结构光照明显微镜（SIM）、光激活定位显微成像（PALM）、随机光学重构显微术（STORM）、基于最少光子数的纳米尺度定位（MINFLUX）、结合结构光照明技术的MINFLUX技术变体（SIMFLUX）等技术。STORM技术具有优越性，在其基础上叠加多色成像技术（目前有6种），本文介绍了目前最新的多色成像技术以及分光成像实现的三通道成像技术。分光成像实现的三通道成像存在光谱串色、通道对齐误差等影响，基于此介绍了相关的优化算法原理。展示了在三通道STORM显微成像平台上实现的COS-7细胞成像。说明三通道STORM显微成像的优越性。     

受激发射损耗显微术(STED)的机理及进展研究

由于光学元件的衍射效应,常规光学显微术的分辨率被限制在半波长左右,无法满足对于亚百纳米尺度的样品进行探测的需求。受激发射损耗显微术(STED)通过引入一束损耗光以受激发射的方式减小有效荧光的发光面积,可以实现超衍射极限的空间分辨率。自提出以来,STED显微术经过了多方面的改进和发展,已被成功地应用于生物医学、材料学等领域,对样品进行多功能超分辨成像。本文详细阐述了STED的机理及其中的关键技术,综述了STED的发展历程及最新进展,并介绍了其具体应用。     

倒置双光子显微镜的使用与维护

双光子激发荧光显微是一种非线性光学显微技术,它结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术,具有高时空分辨率、高信噪比和固有的三维层析分辨能力等优点。介绍了双光子显微镜的软硬件组成和技术参数,样品制备方法,双光子图像采集的常用操作规程,日常维护和仪器管理等方面。旨在为双光子仪器的使用者与管理者提供参考,使之更好地服务于教学与科研。     

超高灵敏度荧光显微成像技术对光敏剂细胞内分布的初步研究

目的：探讨应用基于ICCD的超高灵敏度荧光显微成像系统研究光敏剂细胞内分布的可行性。方法：传代培养内皮细胞、食管癌细胞和肺癌细胞,将不同浓度血卟啉单甲醚(HMME)与细胞共同孵育不同时间。采用荧光显微镜及ICCD组成的荧光显微成像系统采集不同浓度及不同孵育时间条件下HMME的荧光图像,并采用计算机图像处理技术进行图像增强、滤波后计算其细胞浆与细胞核的平均荧光强度比值。同时应用激光共聚焦显微镜图像采集进行对比。结果：HMME浓度为5μg／ml时,荧光显微镜采集到HMME的荧光图像;HMME浓度升高到160μg／ml,激光共聚焦显微镜获得HMME的荧光图像。两组图像的特点都为胞浆中荧光强度较高,细胞核区荧光较弱;细胞浆与细胞核的比值约为2～3：1。结论：荧光显微镜和ICCD采集细胞内光敏剂的荧光图像灵敏度高,方法可靠、实用。HMME较多分布在细胞质中,细胞核吸收较少。     

高灵敏度荧光显微镜量化技术及其在光生物学研究中的应用

介绍一种用像增器接收荧光图像的高灵敏度荧光显微镜,相对于普通荧光显微镜的灵敏度提高了４×１０４倍,并用宽量程微光光亮度计对仪器的微弱成像性能进行了实验标定,得到了图像采集数据和图像发光强度的线性数量关系。高灵敏度荧光显微镜在给出细胞荧光图像的同时,可以给出图像上每一像元的发光强度和细胞平均发光强度,仪器对图像细微变化的判断能力远大于人眼直接观察图像。高灵敏度荧光显微镜可应用于研究细胞中荧光物质在细胞生理过程中的分布变化和发光强度变化。使用此仪器已得到了光敏竹红菌甲素（ＨＡ）在Ｈｅｌａ细胞（人体子宫癌细胞）中的分布图像和更为直观的三维显示图形,以及加入ＨＡ后Ｈｅｌａ细胞受到强先照射后的细胞损伤图像。     

针孔参数优化对激光扫描共聚焦显微镜荧光成像的影响

激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）是一种高分辨率的光学成像仪器，它利用“共轭成像”原理，获得的图片质量远超于普通荧光显微镜。LSCM有两组功能不同的针孔，即照明针孔和探测针孔，这是实现“共轭成像”的关键。由于照明针孔的大小和位置一般是固定的，LSCM主要通过调节探测针孔的大小来获得高质量的成像图片。然而，很多使用者对于LSCM中针孔大小与荧光成像质量的关联缺乏了解。因此，本文阐述了针孔在LSCM中的作用原理及其与显微镜分辨率的关系，并通过小鼠脊髓腹侧白质中的免疫荧光成像分析，发现针孔参数优化对提高LSCM荧光成像质量具有显著影响。这一发现将为LSCM成像分析提供重要参考。     

基于受激发射损耗显微术的活细胞和活体超分辨成像

细胞作为生命体基本的结构和功能单元，在生物、医学等领域有着非常重要的研究意义。随着现代科学和技术的发展，科学家们借助电镜对细胞以及细胞器的空间结构已经有非常清晰的认识，但是对它们的功能以及细胞之间的相互作用却了解得非常少，而这恰恰又是疾病治疗和药物开发亟需了解的信息，因此对离体活细胞（简称活细胞）和活体生物组织细胞（简称活体细胞）中亚细胞器的研究变得非常重要。然而细胞中许多细胞器的结构在纳米量级，传统的光学成像技术由于受到光学衍射极限的限制是无法观察到纳米量级的生物结构，因此光学超分辨成像技术是目前研究亚细胞器结构和功能的有效工具。在所有光学超分辨显微技术中，受激发射损耗显微术（stimulated emission depletionmicroscopy,STED）由于具有实时成像、三维超分辨和断层成像的能力，非常适合用于纳米尺度的活细胞和活体细胞成像研究，而且STED超分辨成像技术经过近几十年的发展，已经广泛用于活细胞甚至活体小鼠细胞的超分辨动态观测。本文总结了近年来活细胞和活体小鼠神经元细胞等领域STED超分辨成像的研究进展，介绍了用于活细胞和活体细胞STED超分辨成像的荧光染料...     

激光扫描共聚焦显微镜活细胞成像方法优化

激光扫描共聚焦显微镜可用于固定样品和活细胞样品的成像,近年来得到了广泛的应用。本文介绍了激光扫描共聚焦显微镜的基本原理及其在活细胞成像中的应用,并以FV10-ASW Viewer4.2软件为例,从扫描速度、分辨率、降噪、光电倍增调节、多参数协同优化、成像质量评估、图像后期处理等多个角度总结了激光扫描共聚焦活细胞成像系统的方法优化和推荐参数设置。本文的工作可以为活细胞实验提供一定参考。     

共聚焦显微技术简介

共聚焦显微镜在生物学研究中得到广泛应用,共聚焦显微技术按照显微镜构造原理的不同分成激光扫描共聚焦和数字共聚焦显微技术两种,共聚焦技术具有成像清晰,获得三维图像,进行多标记观察,活细胞内动态生理反应的实时观察记录,定性定量分析等优势,与共聚焦显微技术相关的技术有荧光染料的选择,荧光指示剂装载以及图像数据处理等。     

无透镜显微技术

无透镜显微成像(lens-free microscopy)是一种在不借助透镜的情况下进行成像的技术。它基于Gabor同轴全息原理,利用面阵探测器采集原始全息图,随后通过数字图像处理技术重建样本,从而实现数字显微成像。像素超分辨技术缩小了等效像素,提供更多细节信息使得再现像的分辨率得以直接提升,而且多种相位恢复手段通过去除孪生像也达到了间接提高分辨率的目的,尤其是对密集样本。无透镜显微成像技术突破了传统光学显微镜由透镜带来的空间带宽积的限制,实现了大视野范围下的高分辨率成像,因此,这一技术能够提供大视场下的临床样本快速诊断和准确检测。另外,新兴的算法和硬件都在不断地加快数据采集和计算速度,扩展了其在高速运动样本和纳米尺度样本上的应用。最近无透镜技术和其配套硬件设备发展方向趋向于硬件紧凑、算法密集、实时、三维、彩色、高分辨率的便携式分立器件或配件。     

狂犬病毒“北京株”在地鼠肾传代细胞中增殖的电镜观察

用透射电子显微镜观察术,对狂犬病固定毒“北京株”在地鼠肾传代细胞（ＢＨＫ２１）中增殖的形态学变化进行了研究。在受感染的细胞中有大量子弹状和长杆状的病毒颗粒。大多数病毒在扩张的内质网膜上以出芽的方式发生,凸向内质网腔内并逐渐发育成子弹状和杆关的成熟病毒。含病的内质,多周围常伴有颗粒或丝状均质区域,少数病毒在细胞膜上芽生。细胞间隙中亦可见病毒。还见病毒在细胞核膜内、外层上芽生,核周围间隙中许多病毒,有     

微弧氧化和碱处理技术在多孔钽修复兔颅骨缺损中的应用

目的观察微弧氧化和碱处理对多孔钽表面性状、生物相容性和成骨能力的影响。方法微弧氧化和碱处理多孔钽片后,扫描电镜观察表面微孔数量、表面钙磷沉积和接触角。植入钽片修复兔颅骨缺损模型,在4周和12周观察骨愈合情况。结果扫描电镜显示处理组表面有更多的微孔和钙磷沉积以及更小的接触角(P<0.05)。植入多孔钽片后,所有动物均生长良好,伤口愈合佳。CT观察多孔钽片和周围骨组织耦合良好;钙黄绿素标记检测显示12周时有新生骨长入多空钽材料内部;扫描电镜观察发现4周时多空钽材料内部有新生血管,12周时有骨小梁长入材料内部。结论微弧氧化和碱处理能改变多孔钽材料表面形状,处理后多孔钽片具有良好的生物相容性和成骨能力。     

人角质细胞生长因子2真核表达载体的构建及功能验证

目的:构建人角质细胞生长因子2(KGF-2)基因真核表达载体,探索KGF-2的上皮细胞迁移功能。方法:以人乳腺cDNA文库为模板,PCR扩增KGF-2基因片段,将其插入pXJ-40-myc,经双酶切和测序验证后,将重组质粒转染HEK-293T细胞,采用Western印迹检测重组蛋白;转染人肠上皮细胞FHC,采用细胞划痕实验检测细胞迁移能力。结果:PCR扩增获得627 bp的DNA产物,插入pXJ-40-myc载体,双酶切及测序结果证明重组质粒含有目的序列;转染HEK-293T细胞,Western印迹检测到相对分子质量约23×103的目的蛋白;细胞划痕实验显示,转染Myc-KGF-2的FHC细胞较未转染或转染空载体的细胞迁移能力强。结论:构建了人KGF-2基因真核表达载体,并验证了其促进细胞迁移的功能。     

噬菌体抗体库技术筛选抗VEGF165单克隆抗体

目的:获得抗血管内皮生长因子165(VEGF165)单克隆抗体,并对其功能进行初步验证。方法:利用噬菌体抗体库展示技术筛选与VEGF165结合的噬菌体克隆并测序,以测序正确的阳性克隆质粒为模板,PCR扩增抗体的轻重链可变区基因,并克隆至哺乳动物细胞表达载体中,构建全抗体表达载体;将全抗体表达载体转染293E细胞,收取培养细胞上清,利用ProteinA亲和纯化抗体;通过结合ELISA、表面等离子共振检测抗体的亲和力,以人脐静脉内皮细胞(HUVEC)为模型验证抗体功能。结果:经过噬菌体抗体库展示技术筛出1个与VEGF165特异性结合的抗体序列VG2;293E细胞表达了VG2全抗体蛋白,SDS-PAGE显示VG2抗体纯度较高;BIAcore检测结果表明该抗体具有较高亲和力(KD=0.56nmol/L),竞争抑制ELISA结果表明VG2抗体能抑制VEGF与VEGF受体(VEGFR)的结合(IC50为1.470μg/mL),进一步实验结果表明VG2能够抑制VEGF引起的HUVEC增殖。结论:制备了靶向VEGF165的全人源单克隆抗体VG2,该抗体具有较高的亲和力,能阻断VEGF165/VEGFR2的结合,并抑制HUVEC的增殖,可以作为潜在药物应用于肿瘤治疗。     

Analysis of the advantage features of Beijing surveillance network for Creutzfeldt-Jakob disease

ABSTRACT. Since 2006, China has conducted the surveillance program for Creutzfeldt-Jakob disease (CJD) and other subtypes of prion diseases covering 12 provinces. In this study, the characteristics and special role of Beijing CJD surveillance network in the national CJD surveillance system were analyzed. Based on the registered permanent resident places, all reporting suspected CJD cases and diagnosed CJD cases via Beijing CJD surveillance network between 2006 and 2013 were grouped as the cases from Beijing and from outside of Beijing. Both numbers of the suspected and diagnosed CJD cases via Beijing CJD surveillance network constantly increased along with the years, totally 532 reporting cases and 192 diagnosed CJD cases were obtained in the past 8 y. About 75% of suspected and diagnosed CJD cases via Beijing CJD surveillance network came from other provinces, mainly from neighboring provinces. Altogether, 46 different hospitals in the Beijing region have reported suspected CJD cases to the CJD surveillance system during the period from 2006 to 2013. Five hospitals continually reported suspected CJD cases during those 8 y and 5 other hospitals had reported cases except for 1 to 2 y. Additionally, we found that the diagnosed CJD patients from Beijing region had less numbers of hospital transfer and shorter interval from the disease onset to the final diagnosis than those outside of Beijing. It indicates that as the most important component, Beijing CJD surveillance network functions more actively, which supplies the special medical services not only for Beijing residents but also for patients from all of China.     

北京市六环内城市森林结构总体特征

城市森林结构决定了城市森林的外貌、总体绿量,影响其生态效益.本文对北京市六环外1 km范围内城市森林分层抽样调查,研究其多样性及乔木规格,并根据北京城市特点分析其空间差异,以期找出存在问题及梯度变化规律,为北京城市森林多样性保护及科学管理提供依据.通过对各类城市森林847个标准样方的调查,共记录木本植物50科、106属、159种,本地种占75%;城市森林植物群落仍然是少数物种主导,毛白杨(Populus tomentosa Carr.)与国槐(Sophora japonicaL.)分别为使用数量最多(9.7%)和使用频度最高(28.45%)的树种;乔木平均胸径19.79 cm,平均冠幅5.4 m,规格总体偏小,且规格差异不大.北京市城市森林沿城市发展方向由城内向城外展现出了明显的梯度变化:总物种数4环外多于4环内,最高为4~5环112种;多样性指数逐渐降低;乔木规格减小;“城六区”物种组成、多样性及乔木规格均优于其他行政区.     

Analysis of the advantage features of Beijing surveillance network for Creutzfeldt-Jakob disease

ABSTRACT. Since 2006, China has conducted the surveillance program for Creutzfeldt-Jakob disease (CJD) and other subtypes of prion diseases covering 12 provinces. In this study, the characteristics and special role of Beijing CJD surveillance network in the national CJD surveillance system were analyzed. Based on the registered permanent resident places, all reporting suspected CJD cases and diagnosed CJD cases via Beijing CJD surveillance network between 2006 and 2013 were grouped as the cases from Beijing and from outside of Beijing. Both numbers of the suspected and diagnosed CJD cases via Beijing CJD surveillance network constantly increased along with the years, totally 532 reporting cases and 192 diagnosed CJD cases were obtained in the past 8 y. About 75% of suspected and diagnosed CJD cases via Beijing CJD surveillance network came from other provinces, mainly from neighboring provinces. Altogether, 46 different hospitals in the Beijing region have reported suspected CJD cases to the CJD surveillance system during the period from 2006 to 2013. Five hospitals continually reported suspected CJD cases during those 8 y and 5 other hospitals had reported cases except for 1 to 2 y. Additionally, we found that the diagnosed CJD patients from Beijing region had less numbers of hospital transfer and shorter interval from the disease onset to the final diagnosis than those outside of Beijing. It indicates that as the most important component, Beijing CJD surveillance network functions more actively, which supplies the special medical services not only for Beijing residents but also for patients from all of China.