Взгляд на жизнь без этикеток под оптическим микроскопом

Биология связи, том 6, Номер статьи: 559 (2023) Цитировать эту статью

6252 Доступа

15 Альтметрика

Подробности о метриках

Оптические микроскопы сегодня раздвинули границы скорости, качества и наблюдаемого пространства биологических образцов, изменив наш взгляд на жизнь сегодня. Кроме того, специальная маркировка образцов для визуализации позволила понять, как функционирует жизнь. Это позволило микроскопии на основе меток проникнуть и интегрироваться в основные исследования в области медико-биологических наук. Однако использование микроскопии без меток было в основном ограничено, что приводило к испытаниям на биоприменение, но не на биоинтеграцию. Чтобы обеспечить биоинтеграцию, такие микроскопы необходимо оценить на предмет их своевременности, чтобы дать однозначные ответы на биологические вопросы и установить долгосрочную перспективу роста. В статье представлены ключевые оптические микроскопы без меток и обсуждается их интегративный потенциал в исследованиях в области медико-биологических наук для невозмущенного анализа биологических образцов.

Исторически оптическая микроскопия развивалась параллельно с науками о жизни. Сегодня любой стандартный биологический исследовательский центр оснащен микроскопом для визуализации морфологии в режиме светлого поля и молекулярных распределений в режиме эпифлуоресценции для наблюдения за мечеными интересующими структурами. Эта установка является оптимальным выбором для биологов, поскольку большинство исследований можно проводить с помощью такой системы или спроектировать ее для размещения в ней. Необходимость количественного анализа молекул и точного оптического разделения сделала лазерную сканирующую конфокальную микроскопию фаворитом среди биологов. Растущий интерес к быстрой и живой визуализации толстых образцов в 3D послужил своевременной обратной связью для разработки инструментов визуализации, таких как многофотонные1,2,3,4,5,6 и световые микроскопы7,8,9. Необходимость наблюдения за динамическими изменениями в клетках стимулировала использование таких методов, основанных на флуоресценции, как резонансный перенос энергии флуоресценции (FRET)10, 11, микроскопия с визуализацией времени жизни флуоресценции (FLIM)12,13 и восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP)14,15. Важность наблюдения за мельчайшими деталями мотивировала использование методов сверхвысокого разрешения, таких как структурированное освещение (SIM)16,17, микроскопия стимулированного истощения излучения (STED)18,19 и микроскопия локализации одиночных молекул (SMLM)20,21,22. Вспомогательные системы, такие как более быстрые камеры, высокопроизводительная адаптивная автоматизация и инновационные красители, значительно расширили возможности биоприложений. Тем не менее, существует пробел, в котором методы, основанные на маркировке, ограничены, то есть химически невозмущенная оценка биологических образцов без какого-либо вмешательства в маркировку и связанные с ней химические вещества.

Многие известные методы визуализации без меток, несмотря на их преимущества, ограничены, когда целью являются механистические исследования или открытие знаний. Например, биологи обычно выбирают светлопольную, фазово-контрастную и дифференциально-интерференционно-контрастную (ДИК) микроскопию. Светлопольная микроскопия лучше всего подходит, когда образцы окрашены красителем, придающим контраст. Однако для живых исследований получение высококонтрастных изображений почти прозрачных живых клеток является сложной задачей. Фазовый контраст и ДИК-изображения оптически усиливают разницу между образцом и фоном для создания высококонтрастного изображения и обычно используются в флуоресцентной микроскопии. И фазовый контраст, и ДВС-изображение являются очень полезными инструментами для биолога. Но они не могут количественно оценить фазовые изменения, поскольку значения интенсивности нелинейно связаны с информацией о фазе и, следовательно, не могут быть прослежены до фактических изменений в образце.

Сегодня достижения в области визуализации без меток позволили получать изображения морфологии, динамики, функциональности, обмена веществ, взаимодействия патогенов, биохимии и биомеханики с высоким разрешением и высокой скоростью (рис. 1). В этой статье обсуждается широкий выбор различных оптических микроскопов без меток, их биологическое применение и их потенциал стать мощным инструментом основных биомедицинских исследований. Таким образом, цель этой статьи – создать основу для выбора подходящих инструментов оптической микроскопии без меток, чтобы дополнить существующие методы и в конечном итоге сыграть более интегративную роль в открытии знаний.