超分辨成像中基于模板函数对多个荧光分子定位

在生物结构和功能成像领域里,超分辨成像成为近年来研究的热点,而荧光分子定位,特别是多荧光分子的定位,是超分辨成像的一个重要环节.本文基于模板函数和非线性拟合给出多个荧光分子定位算法,并利用该算法分析信噪比和两个荧光分子距离对荧光分子定位精度的影响,指出了只有信噪比大于5,两个荧光分子的距离大于8个像素时,才能获得精确的荧光分子的定位.结果证明该方法的合理性和有效性.     

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．     

PALM成像中激光强度和定位精度相关性的研究

近十年来,基于单分子定位的PALM成像技术快速发展,将显微镜的分辨率提高到了2-25nm。本文发现PALM成像过程中采用的激发光强度与成像的定位精度之间有密切的联系。我们分别选择了PALM成像使用的光激活荧光蛋白、光转换荧光蛋白和光开关荧光蛋白中最常用的荧光蛋白进行验证。实验发现伴随激光强度的增加,大部分荧光蛋白的光子数先升高然后趋于饱和,背景噪声几乎线性升高。进一步分析发现荧光蛋白的定位误差随着激光强度增强先降低后升高,因此选用合适的激光强度在PALM成像实验中至关重要。如何提高PALM成像的分辨率一直是科学家研究的热点,本研究内容可以指导研究人员在PALM成像中选用合适的激发光强度,从而得到高分辨率的图像。     

BK通道在细胞膜上的单分子定位及空间分布*

摘要目的：研究大电导、钙离子和电压激活的钾离子通道（BK通道）在HEK293 细胞膜上的单分子定位及其总体空间分布情况。 方法：分别用mEos2、Dronpa 等荧光蛋白标记BK通道的α亚基和辅助性β2 亚基,将这些质粒在HEK293 细胞内瞬时转染以表 达通道蛋白,然后用激光共聚焦荧光显微成像、全内反射荧光显微成像、光敏定位荧光成像等技术观察BK通道的亚细胞定位及 单分子分布,并用电生理实验技术检测荧光蛋白对BK通道有影响。结果：激光共聚焦荧光显微成像和全内反射荧光显微成像技 术只能在亚细胞水平定位通道蛋白,BK 通道在细胞膜上聚集并形成不规则的蛋白簇,它的α亚基和β2 亚基在细胞膜上完全共 定位;光敏定位荧光成像技术成功定位BK通道蛋白簇里面的单分子,虽然α和β2 亚基紧紧靠在一起,它们之间依然存在空间 距离;BK通道的质膜表达和功能特性不受荧光蛋白的影响。结论：BK通道蛋白簇里面包含大量的α和β2 亚基的蛋白单分子, 它们紧密地聚集在一起,但是并没有完全共定位,在分子水平上揭示了BK通道α和β亚基功能耦合的结构基础,为以后研究大 分子蛋白质间的相互作用机制提供了很好的分子模型,光敏定位荧光成像技术作为一种全新的单分子荧光成像手段,在基因表 达、信号通路、蛋白质相互作用等许多重要生命活动的研究中发挥重要作用。     

基于单分子量子相干调制的细胞温度成像技术

目的 细胞温度成像可以帮助科学家研究和理解细胞内部的温度分布,揭示细胞代谢和生物化学过程的关键信息。目前,基于荧光温度探针的细胞温度成像技术存在低温度分辨率和有限测量范围等限制。本文旨在利用单分子量子相干过程依赖温度的特性,开发一种单细胞温度成像和实时检测技术。方法 基于飞秒脉冲激光制备延时和相位可调的飞秒脉冲对,调制的脉冲对通过显微系统激发细胞内标记的荧光单分子,之后收集并记录每个荧光光子的到达时间。利用单分子相干过程与周围环境温度的关系,定义单分子量子相干可视度（V）,建立V与环境温度的对应关系。通过调制解调荧光光子的到达时间,获取单分子周围环境温度,结合扫描成像,实现细胞的温度成像和实时检测。结果 该方法可以实现高精度（温度分辨率<0.1℃）和大范围温度（10～50℃）的温度成像和测量,并观测到了单个细胞代谢相关的温度变化。结论 该研究有助于深入了解细胞代谢、蛋白质功能和疾病机制,为生物医学研究提供重要工具。     

BK通道在细胞膜上的单分子定位及空间分布

目的：研究大电导、钙离子和电压激活的钾离子通道（BK通道）在HEK293细胞膜上的单分子定位及其总体空间分布情况。方法：分别用mEos2、Dronpa等荧光蛋白标记BK通道的α亚基和辅助性β2亚基,将这些质粒在HEK293细胞内瞬时转染以表达通道蛋白,然后用激光共聚焦荧光显微成像、全内反射荧光显微成像、光敏定位荧光成像等技术观察BK通道的亚细胞定位及单分子分布,并用电生理实验技术检测荧光蛋白对BK通道有影响。结果：激光共聚焦荧光显微成像和全内反射荧光显微成像技术只能在亚细胞水平定位通道蛋白,BK通道在细胞膜上聚集并形成不规则的蛋白簇,它的仅亚基和β2亚基在细胞膜上完全共定位;光敏定位荧光成像技术成功定位BK通道蛋白簇里面的单分子,虽然α和β2亚基紧紧靠在一起,它们之间依然存在空间距离;BK通道的质膜表达和功能特性不受荧光蛋白的影响。结论：BK通道蛋白簇里面包含大量的α和β2亚基的蛋白单分子,它们紧密地聚集在一起,但是并没有完全共定位,在分子水平上揭示了BK通道α和p亚基功能耦合的结构基础,为以后研究大分子蛋白质间的相互作用机制提供了很好的分子模型,光敏定位荧光成像技术作为一种全新的单分子荧光成像手段,在基因表达、信号通路、蛋白质相互作用等许多重要生命活动的研究中发挥重要作用。     

基于神经网络原理的荧光寿命成像研究

荧光寿命成像技术(fhlorescence lifetime imaging,FLIM)是一种新颖且功能强大的、能用于复杂生物组织和细胞结构与功能分析的生物组织成像技术。传统的时域荧光寿命成像数据分析方法,由于没有考虑荧光分子团之间以及他们与周围环境的相互作用,可能导致复杂的连续分布荧光寿命这一实际情况,因此对生物组织中自发荧光发光强度衰减过程的实验数据拟合效果欠佳。文章提出利用人工神经网络(artificial neural network,ANN)原理拟合算法来计算生物荧光分子团衰减动力过程,该方法能有效地建立生物荧光分子团衰减动力过程的非线性模型,并且具有处理非线性模型能力强、鲁棒性好、拟合精度高和所需计算时间少等优点。通过计算证明,相对于单参量指数与多参量指数衰减函数,这种数据拟合方法对于某些荧光分子团的多槽基面效价测定样品(multi-well plate assays)的数据有更好的一致性和更小的计算量。同时在文章中讨论了将该拟合算法应用于荧光寿命成像的前景。     

量子点荧光探针在生物成像中的应用进展

量子点荧光探针是近几年发展起来的一种新型荧光标记物,拥有荧光染料及荧光蛋白所不能比拟的独特优势,已经在细胞功能研究及细胞表面和内部功能分子的探测、组织的成像和病灶的定位等方面得到了较为广泛的应用。本文对量子点的光学特性、生物化修饰及其在生物成像等方面的应用进展进行了较为详细的介绍,并展望了其应用发展。     

近场扫描光学成像结合量子点标记的纳米技术在细胞生物学中的应用

近场扫描光学显微镜（NSOM）对传统的光学分辨极限产生了革命性的突破,可在超高光学分辨率下无侵人性和无破坏性地对生物样品进行观测。量子点（QDs）具有极好的光学性能,如荧光寿命长、激发谱宽、生物相容性强、光稳定性好等优点,适合先进的生物成像。NSOM结合QDs标记的纳米技术被应用在细胞生物学中。通过纳米量级NSOM免疫荧光成像（50nm）对特定蛋白分子在细胞表面的动态分布进行可视化研究和数量化分析,阐明了蛋白分子在不同细胞过程中的作用机制。因此,NSOM／QD基成像系统提供了单个蛋白分子最高分辨率的荧光图像,为可视化研究蛋白分子机制的提供了一种强有力的工具。     

超分辨显微技术结合smFISH方法在E. coli sRNA SgrS定位中的应用

细菌调节小RNA通常与靶mRNA结合,影响翻译和mRNA降解过程.了解细菌小RNA的定量和定位信息,将有助于揭示细菌转录后水平的调控机制.小RNA SgrS通过抑制ptsG mRNA翻译起始,参与细菌磷酸葡萄糖代谢的应激过程.本研究应用单分子荧光原位杂交(smFISH)方法和超分辨显微技术可视化定位大肠杆菌细胞内小RNA SgrS,并初步验证伴侣分子Hfq蛋白和RNaseE降解酶对小RNA SgrS定位的影响.选取大肠杆菌模式菌MG1655 (野生株)、sgrS敲除株(△sgrS)和过表达株(△sgrS-pBAD-SgrS),使用RNA印迹和smFISH方法验证SgrS的过表达.应用smFISH方法分别在野生菌株、hfq敲除株(△hfq)和rne敲除株(△rne-710)中定位小RNA SgrS和ptsG mRNA,超分辨成像观察.与野生株相比,△hfq和△rne-710中SgrS主要定位于近膜区域,ptsG mRNA定位于细菌胞浆中,并且这两种RNA拷贝数均极显著增加.以上结果表明,分别敲除大肠杆菌hfq和rne-710基因导致SgrS和ptsG mRNA的表达量增加. smFISH方法和超分辨技术的结合应用为细菌RNA的直观定量和定位提供了高敏感性的检测方法,可用于基因调控的功能研究.     

荧光蛋白研究进展

荧光蛋白在生物学众多研究领域中有着广泛的应用,基于荧光蛋白的分子探针和标记方法已成为活细胞或活体内动态成像研究生物大分子或细胞功能的重要工具。本文对现有荧光蛋白的种类和理化特性,及其在生物学研究中的应用进行了综述介绍。重点介绍了近年来荧光蛋白在亮度、Stokes位移、光谱改变等方面的研究进展,介绍了光转换与光活化荧光蛋白及其在超分辨荧光成像技术中的应用。最后对荧光蛋白未来的发展方向进行了展望。     

"激光成像式活检定位肿瘤的原理与技术研究"通过评审

2007年1月8日在福建省科技厅主持下,在福州对谢树森教授主持的福建省自然科学基金重大项目(2002F008)“激光成像式活检定位肿瘤的原理与技术研究”进行了评审,一致认为:1.该项目在理论研究方面取得了如下具有创新性的成果(1)首次利用三维荧光光谱比较研究了二磺基二邻苯二甲酰亚胺甲基酞菁锌、癌光啉和血啉甲醚等3种国内第二代新型光敏剂,以及第一代光敏剂血卟啉衍生物的光谱特性,得到了在不同激发波长下的发射波长强度分布曲线,以及最佳的激发和发射波长;(2)研究了用于鼻咽癌光活检的光敏剂血啉甲醚的超快时间分辨光谱特性,得到了其荧光寿…     

小波变换及滚球算法在单分子荧光能量共振转移图像分析中的应用（英文）

单分子荧光共振能量转移技术是通过检测单个分子内的荧光供体及受体间荧光能量转移的效率来研究分子构象的变化.要得到这些生物大分子的信息就需要对大量的单分子信号进行统计分析,人工分析这些信息,既费时费力又不具备客观性和可重复性,因此本文将小波变换及滚球算法应用到单分子荧光能量共振转移图像中对单分子信号进行统计分析.在保证准确检测到单分子信号的前提下,文章对滚球算法和小波变换算法处理图像后的线性进行了分析,结果表明,滚球算法和小波变换算法不但能够很好地去除单分子FRET图像的背景噪声,同时还能很好地保持单分子荧光信号的线性.最后本文还利用滚球算法处理单分子FRET图像及统计15 bp DNA的FRET效率的直方图,通过计算得到了15 bp DNA的FRET效率值.     

小波变换及滚球算法在单分子荧光能量共振转移图像分析中的应用

单分子荧光共振能量转移技术是通过检测单个分子内的荧光供体及受体间荧光能量转移的效率来研究分子构象的变化．要得到这些生物大分子的信息就需要对大量的单分子信号进行统计分析,人工分析这些信息,既费时费力又不具备客观性和可重复性,因此本文将小波变换及滚球算法应用到单分子荧光能量共振转移图像中对单分子信号进行统计分析．在保证准确检测到单分子信号的前提下,文章对滚球算法和小波变换算法处理图像后的线性进行了分析,结果表明,滚球算法和小波变换算法不但能够很好地去除单分子FRET图像的背景噪声,同时还能很好地保持单分子荧光信号的线性．最后本文还利用滚球算法处理单分子FRET图像及统计15 bp DNA的FRET效率的直方图,通过计算得到了15 bp DNA的FRET效率值．     

运用结构光照明的活细胞超高分辨率成像技术

<正>进入21世纪以来出现了多种超高分辨率荧光成像技术,打破了光学分辨率的极限,将光学分辨率提高到几十纳米的尺度,可以用来观察精细的细胞内器官的结构和位置信息,因此被广泛地应用于生物学研究中.超高分辨率荧光成像技术主要分为三大类,基于受激发射光淬灭(stimulated emission depletion,STED)技术,基于单分子开关的超高分辨率定位技术(包括光激活定位显微成像术     

面向空间实验的肌纤维细胞形态学参数测量算法

为了满足空间任务的自主需求,探索太空环境因素对宇航员肌肉萎缩的影响以及药物分子对肌纤维细胞分化的作用,科研人员通过观察肌纤维细胞的生长状态,判断药物分子对肌纤维细胞的影响。现阶段,科研人员手动测量肌纤维细胞宽度,统计细胞宽度分析肌纤维细胞的生长状态。该文为实现自动测量肌纤维细胞形态学参数,提出了一种基于曲率和样条拟合的算法自动对肌纤维细胞的形态学参数进行测量。将细胞图像进行预处理使细胞和背景分离,通过样条插值拟合细胞边界,计算得到边界点的法向量和曲率,基于法向量寻找匹配点计算细胞宽度;根据曲率寻找细胞端点,进而拟合细胞骨架获取细胞长度。实验结果表明,该算法获取的形态学参数与手动测量分布一致。该算法实现了对肌纤维细胞的形态学测量,细胞测量平均时间缩短了85.2%,极大提高了科研人员研发效率。     

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...     

单分子荧光原位杂交（smFISH）技术及应用

单分子荧光原位杂交（single-molecule fluorescence in situ hybridization,smFISH）技术是一种通过用偶联荧光基团的寡核苷酸探针,对固定细胞或组织中单个mRNA分子进行成像的方法。smFISH可对RNA进行定位、定量,以此对目标转录本进行实时研究。smFISH适用于细胞、组织切片等多种类型生物样本。近年来,多种基于基础smFISH的改进技术被发明,进一步促进了该技术的实际应用。smFISH良好的RNA单分子可视化能力,使得其在发育生物学、神经生物学及肿瘤生物学等基础生物学科中得到了广泛的应用。本文综述了smFISH技术基本原理、smFISH技术的局限性、smFISH衍生技术方法、smFISH在不同生物学科中的应用进展,并对smFISH技术的发展前景做出展望。     

全内反射荧光显微术在活细胞单分子检测中的应用

全内反射荧光显微术(total internal reflection fluorescence microscopy,TIRFM)是一种灵敏、快速的单分子成像和检测技术,近年来得到迅猛发展。该技术已广泛应用于生命科学、化学、物理学等领域。本文综述了全内反射荧光显微术的原理及其在活细胞单分子检测中的应用,并对其发展前景进行了展望。     

时间序列荧光图像中精确检测高密度快速运动多囊泡的“自校正”算法（英文）

本文提出了一种"自校正"算法,用于提高时间序列荧光图像中的多个运动目标识别的正确率(如囊泡).此算法的主要思想是构建一个由核函数叠加构成的模型,然后用这个模型去拟合无法分辨时刻的数据,通过最小二乘拟合后得到的模型与真实数据的χ~2统计残差及拟合得到的核函数的参数,来确定该时刻囊泡的数目及各囊泡的中心位置.我们在合成图像上比较加入了自校正算法和未加自校正算法的识别正确率,结果表明,加入了自检算法以后识别正确率得到了明显提高.同时,提出了一个优化的囊泡追踪流程,并应用到小鼠β细胞的囊泡荧光图像分析中.统计分析显示,加入葡萄糖刺激后,小鼠β细胞囊泡轨迹数目会增加,平均锚定时间会减少,这是由于胰岛细胞需要借助囊泡的转运和分泌来调控血糖平衡.因此我们进一步在亚细胞水平定量分析了活细胞中囊泡的活动.