扫描探针显微镜及其在生物医学研究中的应用

本文介绍了一类可以从原子水平到微米尺寸观察物质结构的三维成像工具——扫描探针显微镜(SPM),重点介绍了扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的基本原理,以及SPM在细胞生物学、核酸和小分子成像等生物医学研究领域的一些应用。SPM不久将可能成为大多数生命科学实验室的一项重要技术。     

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。     

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。     

二次离子显微镜及其在生物医学中的应用

二次离子显微镜是由离子源激发样品表面原子产生二次离子,通过质谱仪将不同原子产生的离子分离并在显示系统上成像,以确定不同元素在样品中的分布图。较高的图像分辨率(0.5—1μm)和极高的灵敏度(浓度低于10^-19g/μm³)使得生物样品含有极低浓度甚至是痕迹量的元素分析成为可能。目前,二次离子显微镜已广泛应用于细胞生物学、核医学、植物生理学和人类病理学等领域。     

新型数字化高灵敏度荧光显微镜及其在生物学中的应用

尽管普通荧光显微镜已广泛应用于生物医学领域,其性能上还存在一些不足,为了克服它的弱点,借助于像增强器和ＣＣＤ,将倒置生物显微镜改造为数字化高灵敏度荧光显微镜,并增加动态图像获取功能。改进后的荧光显微镜具有以下优点：（１）灵敏度极高,可探测微弱的荧光图像;（２）运用图像融合技术,实现荧光准确定位;（３）适合于观察切片和活细胞;（４）可研究细胞荧光图像的动力学特征;（５）能够给出图像上各点的坐标和对应的发光强度,具有定量显示特点;（６）图像处理软件功能完善,操作方便。利用该荧光显微镜,以吖啶橙为荧光标记物观察正常细胞和凋亡细胞的不同状态,获得良好的实验效果。     

应用双光子显微镜和流式细胞仪定性及定量确定小鼠巨噬细胞的吞噬功能

建立了流式细胞仪和双光子激光共聚焦荧光显微镜进行定性和定量检测小鼠巨噬细胞吞噬鸡红细胞的方法,并同传统光学显微镜细胞化学染色观察方法相比较,探讨其检测巨噬细胞吞噬效应的优越性。常规方法获取小鼠腹腔和脾脏巨噬细胞,制备巨噬细胞悬液。常规制备鸡红细胞,计数并调整活细胞数,用5-二醋酸羧基荧光素琥珀酸单胞菌酯(5-carboxyfluorescein diacetate succinimidyl ester,CFSE)染色,与巨噬细胞共温育一定时间后,小鼠巨噬细胞特异性荧光抗体F4/80标记巨噬细胞。应用流式细胞仪检测巨噬细胞中CFSE阳性百分率来表示巨噬细胞吞噬率;应用双光子显微镜观察被吞噬的CFSE阳性鸡红细胞动态分布情况。同时,采用传统光学显微镜吉姆萨染色观察巨噬细胞吞噬百分率。结果显示,流式细胞仪结合双光子显微镜检测巨噬细胞吞噬率与传统的显微镜计数法比较,两者有明显的正相关性。双光子显微镜和流式细胞仪可以定性与定量检测巨噬细胞吞噬功能,该方法具有灵敏、快捷、重复性好以及准确率高的特点,是进行免疫学研究的可行方法。     

原子力显微镜在生物医学上的应用

原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)是扫描探针显微镜(SPM)的一种,其分辨率达到纳米级,能对从原子到分子尺度的结构进行三维成像和测量,能观察任何活的生命样品及动态过程。本文概述了AFM的基本工作原理及在生物医学上对DNA、蛋白质、细胞及生物过程等方面进行的研究。     

原子力显微镜在生物学研究中的应用进展

原子力显微镜（atomic force microscope,AFM)具有原子级分辨率,能够在生理条件下对生物样品进行观察,本综述了AFM的原理及技术要点,举例说明了它在核酸,蛋白质,微生物及细胞等领域的应用进展,相信AFM必将在生物学研究中起到越来越重要的作用。     

利用双光子显微镜检测活体动物脑内 Ca2 +动态变化

利用正置双光子显微镜系统和荧光探针标记技术,观察脑内Ca2+分布,建立测量活体动物脑内Ca2+动态变化的实验方法。制作活体动物颅骨开窗样本,脑内负载Ca2+标记物Oregon Green 488 BAPTA-1和星型胶质细胞标记物Sulforhodamine 101,利用双光子显微镜分别检测神经元和星型胶质细胞内Ca2+分布和动作电位引起的Ca2+瞬变。结果显示双光子显微镜可探测到脑内250μm处荧光信号,图像清晰且信噪比高,并能实时检测神经元和星型胶质细胞内Ca2+信号的动态变化。活体脑内Ca2+检测技术平台的建立为基础研究和医药应用提供了在体实验依据。     

双光子及共聚焦激光扫描显微镜同时多参数观察三尖杉酯碱诱导的HL-60细胞凋亡

三尖杉酯碱(harringtonine,HT)是从中国海南粗榧(Cephalotaxus hainanensis Li)中提取的一种抗肿瘤药物,能诱导人早幼粒白血病HL-60细胞凋亡.应用双光子及共聚焦激光扫描显微镜,结合特异性荧光探针Hoechst 33342,四甲基罗丹明乙酯(TMRE)和Fluo 3-AM,同时观察了HT诱导HL-60细胞凋亡过程中细胞核、线粒体膜电势和细胞内钙浓度的变化,建立了一种在单细胞层次适时、无损伤、多参数观察活细胞的方法.     

超连续谱进行多色双光子成像

生物医学光子学与非线性光纤光学在早期是两门不相干的领域,但是自从基于光纤的连续光谱被发现以来,由于其具有的宽光谱可以实现多种荧光团的同时最优激发,可获取现有钛蓝宝石激光器不可产生的波长,生物医学光子学就开始尝试利用光纤连续光谱技术。但是由于超连续光谱的低相干性、高噪声、不稳定性等原因,生物医学光子学难以广泛的利用这一技术。如何基于现有的100-fs钛蓝宝石激光器产生宽带且可线性压缩的连续光谱仍旧是非线性光纤光学的重要挑战。为了产生可线性压缩的连续光谱,就必须研究光纤和激光脉冲参数对光纤连续光谱产生的影响,研究如何增强可压缩的非线性效应并抑制导致连续光谱不可压缩的非线性效应,以在光纤中产生宽带且可压缩的连续光谱。超连续谱的特性将使其在生物医学光子学,尤其是在成像方面发挥巨大的作用,因此具有重要的学术意义和实际应用价值。     

Deep Learning and Its Applications in Biomedicine

Advances in biological and medical technologies have been providing us explosive volumes of biological and physiological data, such as medical images, electroencephalography, genomic and protein sequences. Learning from these data facilitates the understanding of human health and disease. Developed from artificial neural networks, deep learning-based algorithms show great promise in extracting features and learning patterns from complex data. The aim of this paper is to provide an overview of deep learning techniques and some of the state-of-the-art applications in the biomedical field. We first introduce the development of artificial neural network and deep learning. We then describe two main components of deep learning, i.e., deep learning architectures and model optimization. Subsequently, some examples are demonstrated for deep learning applications, including medical image classification, genomic sequence analysis, as well as protein structure classification and prediction. Finally, we offer our perspectives for the future directions in the field of deep learning.     

多焦点多光子显微技术及其研究进展

多焦点多光子显微技术(multifocal multiphoton microscopy,MMM)提高了激发光能的利用率和成像速度,可以实现样品的三维快速多光子激发荧光显微成像,并具有对活体样品损伤小,成像深度大,图像信噪比高等优点.详细阐述了MMM的实现方法及其研究进展,包括同时时间和光谱分辨的MMM(simulta...     

Saturated two‐photon excitation fluorescence microscopy for the visualization of cerebral neural networks at millimeters deep depth

Optical imaging is a key modality for observing biological specimen with higher spatial resolution. However, scattering and absorption of light in tissues are inherent barriers in maximizing imaging depth in biological tissues. To achieve this goal, use of light at near‐infrared spectrum can improve the present situation. Here, the capability of saturated two‐photon saturated excitation (TP‐SAX) fluorescence microscopy to image at depths of >2.0 mm, with submicron resolution in transparent mouse brain imaging, is demonstrated. At such depths with scattering‐enlarged point spread function (PSF), we find that TP‐SAX is capable to provide spatial resolution improvement compared to its corresponding TPFM, which is on the other hand already providing a much improved resolution compared with single‐photon confocal fluorescence microscopy. With the capability to further improve spatial resolution at such deep depth with scattering‐enlarged PSF, TP‐SAX can be used for exquisite visualization of delicate cerebral neural structure in the scattering regime with a submicron spatial resolution inside intact mouse brain.      

非线性光学显微镜观察肝脏纤维化的实验研究

目的:了解非线性光学显微镜在肝纤维化成像及定量分析研究中的地位。方法:分别用前向二次谐波(SGH)及背向双光子荧光(TPEF)对肝脏标本的成纤维胶原(Ⅰ/Ⅲ)和肝细胞浆进行成像,将结果与传统的Masson’s三染色法进行比较。随后用非线性光学显微镜对不同肝纤维化阶段的大鼠肝脏标本成像,并对图像进行统计分析。结果:(1)用二次谐波成像的肝内成纤维胶原分布图较传统的方法更清晰,易于进一步定量分析;(2)双光子荧光信号可以清晰的显示肝细胞形态;(3)非线性光学显微镜得到的肝纤维化图像易于用软件进行定量分析。结论:非线性光学显微镜是研究肝纤维化进程的灵敏、准确、快速、简单、客观的新方法。其对肝纤维化的定量分析具有重要临床意义。     

活体细胞内双光子激发的光漂白特性

长波长光的强穿透能力和对活体细胞和生物组织光毒性很小的特性,使得双光子激发荧光显微术已经成为无损伤成像的重要工具.可是双光子激发的高光子密度可能会产生高次光子相互作用, 从而产生更快的光漂白.从实验上研究了离体和活体细胞内的若丹明123和若丹明B分别在单光子激发和双光子激发时的光漂白特性.在体的实验结果与离体的实验结果一致.正如期望的一样,单光子激发时光漂白速率非常近似地随着激发功率的增加而线性增加.可是,双光子激发时的光漂白速率并不是正比于激发功率的平方,而是正比于激发功率的高次方（＞3.5）.对绿色荧光蛋白（GFP）变异体CFP和YFP的实验也得到同样的结果,这就表明高次光漂白可能是双（多）光子激发中的普遍现象.因此多光子的应用可能会受到强光漂白的限制.     

综述: 用于神经活动观测的随机扫描双光子显微成像

双光子荧光显微镜是神经科学研究中的重要观测仪器,但是现有的商品化仪器受限于较低的成像速度,难以满足脑功能研究中毫秒量级神经信号检测的需要．基于声光偏转器的快速随机扫描双光子显微成像技术,有望在保持信噪比的同时提高观测速度．本文综述了这一研究的最新进展,从飞秒激光经过角色散器件后的时空演化理论、声光偏转器的色散补偿方法、随机扫描成像仪器及仪器应用到神经成像时钙信号的识别方法四个方面分别进行介绍,最后分析了随机扫描双光子显微成像技术的发展趋势．这项技术的系统深入研究将为神经活动观测提供一种全新的方法,推动脑科学研究的发展．     

Quantification and its Applications in Fluorescent Microscopy Imaging

Fluorescent microscope imaging technologies have developed at a rapid pace in recent years. High-throughput 2D fluorescent imaging platforms are now in wide use and are being applied on a proteome wide scale. Multiple fluorophore 3D imaging of live cells is being used to give detailed localization and subcellular structure information. Further, 2D and 3D video microscopy are giving important insights into the dynamics of protein localization and transport. In parallel with these developments, significant research has gone into developing new methodologies for quantifying and extracting meaning from the imaging data. Here we outline and give entry points to the literature on approaches to quantification such as segmentation, tracking, automated classification and data visualization. Particular attention is paid to the distinction between and application of concrete quantification measures such as number of objects in a cell, and abstract measures such as texture.     

Two‐ and three‐photon absorption cross‐section characterization for high‐brightness,cell‐specific multiphoton fluorescence brain imaging

We demonstrate an accurate quantitative characterization of absolute two‐ and three‐photon absorption (2PA and 3PA) action cross sections of a genetically encodable fluorescent marker Sypher3s. Both 2PA and 3PA action cross sections of this marker are found to be remarkably high, enabling high‐brightness, cell‐specific two‐ and three‐photon fluorescence brain imaging. Brain imaging experiments on sliced samples of rat's cortical areas are presented to demonstrate these imaging modalities. The 2PA action cross section of Sypher3s is shown to be highly sensitive to the level of pH, enabling pH measurements via a ratiometric readout of the two‐photon fluorescence with two laser excitation wavelengths, thus paving the way toward fast optical pH sensing in deep‐tissue experiments.