雙光子成像：帶你“穿越”活體組織的微觀世界
你是否想象過(guò)，能夠在不損傷細(xì)胞的前提下，清晰地看到活體組織深處的動(dòng)態(tài)變化？今天，我們要介紹的就是這樣一種“黑科技”——雙光子共聚焦顯微鏡。它不僅是神經(jīng)科學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域的重要工具，更是探索生命奧秘的“超能力眼睛”。
傳統(tǒng)顯微鏡在觀察活體樣品時(shí)，常常面臨兩大難題：穿透深度有限和光毒性強(qiáng)，容易損傷細(xì)胞。而雙光子顯微鏡則巧妙解決了這些問(wèn)題。
它采用紅外波段激光，能量更低、波長(zhǎng)更長(zhǎng)，能夠更溫和地穿透組織深處。其獨(dú)特之處在于：只有當(dāng)兩個(gè)光子同時(shí)到達(dá)同一焦點(diǎn)時(shí)，才會(huì)激發(fā)熒光信號(hào)。這意味著只有焦平面附近才會(huì)被激發(fā)，其他區(qū)域幾乎不受影響，從而大大減少光損傷，實(shí)現(xiàn)高分辨率、深層次的活體成像。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就像用電筒照煙霧：傳統(tǒng)顯微鏡是整個(gè)光束都亮，而雙光子顯微鏡是只在焦點(diǎn)處“點(diǎn)亮”，精準(zhǔn)又安全。
我們的雙光子共聚焦顯微鏡不僅原理先進(jìn)，硬件配置更是強(qiáng)悍：
● 雙激光系統(tǒng)：兩臺(tái)飛秒激光器獨(dú)立工作，光譜覆蓋 680-1300nm，適應(yīng)多種熒光標(biāo)記；
● 高速掃描：配備共振掃描頭，最快可達(dá)30幀/秒，捕捉動(dòng)態(tài)過(guò)程毫不費(fèi)力；
● 高精度 Z 軸：物鏡升降精度達(dá)10納米，細(xì)節(jié)層次分明；
● 多通道檢測(cè)：擁有透射光與多光子多個(gè)檢測(cè)器，支持多色同步成像；
● 雙物鏡配置：25×物鏡，適合活體在體實(shí)驗(yàn)；
20×物鏡，工作距離達(dá) 8mm，適合透明化樣品深層成像。
無(wú)論是小鼠大腦深處、肺部細(xì)微結(jié)構(gòu)，還是細(xì)菌與宿主互作過(guò)程，它都能清晰呈現(xiàn)。
雙光子成像技術(shù)的應(yīng)用范圍超廣泛，多個(gè)研究領(lǐng)域都離不開(kāi)它的助力：
● 神經(jīng)科學(xué)：觀察神經(jīng)元活動(dòng)、解析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接；
● 免疫與腫瘤：追蹤免疫細(xì)胞遷移軌跡、監(jiān)測(cè)腫瘤微環(huán)境變化；
● 藥物研發(fā)：實(shí)時(shí)觀察藥物在活體組織中的分布情況與作用效果；
● 發(fā)育生物學(xué)：對(duì)胚胎發(fā)育過(guò)程進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間活體成像，記錄成長(zhǎng)軌跡；
● 心血管研究：分析血流動(dòng)態(tài)、還原血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
●微生物學(xué)：觀察細(xì)菌在活體內(nèi)的定植、遷移以及與宿主的相互作用；
●呼吸系統(tǒng)研究：探究肺組織深層結(jié)構(gòu)、炎癥反應(yīng)與氣道重塑機(jī)制。
1?? 細(xì)菌活體成像：全程追蹤感染與菌落變化
借助雙光子成像技術(shù)，我們成功觀察到了工程大腸桿菌單菌落擴(kuò)展過(guò)程中的三種典型空間模式 —— 環(huán)形（外圍高表達(dá) GFP、內(nèi)部 / 上層高表達(dá) RFP，環(huán)寬約 200μm、高約 50μm）、全紅色均一型及外周分色的扇形模式。
通過(guò)成像，我們清晰追蹤到菌落從初始全綠色狀態(tài)，隨著徑向與垂直方向的擴(kuò)張，逐漸出現(xiàn)表型轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過(guò)程。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)了菌落內(nèi)部與外周細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性：內(nèi)部細(xì)胞更側(cè)重氨基酸、核苷酸合成，外周細(xì)胞則富集環(huán)境響應(yīng)與轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因。
2?? 小鼠肺組織深層成像：看清呼吸背后的細(xì)節(jié)
用雙光子顯微鏡對(duì)小鼠肺組織進(jìn)行高分辨率深層成像，不用切片就能清晰呈現(xiàn)肺泡結(jié)構(gòu)、毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)以及免疫細(xì)胞的分布情況，為肺部疾病模型研究、藥物遞送評(píng)估提供了可靠又高效的工具。
3?? 小鼠組織二次諧波成像：無(wú)標(biāo)記也能看清膠原
下面這張圖是利用雙光子顯微鏡拍攝的小鼠組織二次諧波成像圖片。不用額外染色，依靠組織自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的信號(hào)，就能清晰呈現(xiàn)出小鼠骨骼、關(guān)節(jié)與肌肉的形態(tài)結(jié)構(gòu)及空間排布，為組織工程研發(fā)、病理機(jī)制研究提供了直觀的形態(tài)學(xué)依據(jù)。
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作者｜韋云婷
編輯｜孫絲雨
審核｜韋云婷
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