過去，人們對生物樣品進行成像觀察時，通常將懸浮細胞用化學試劑固定在蓋玻片上，或者通過離心力迫使細胞沉淀。這樣非自然的受力狀態會造成不可逆的影響，不僅使細胞難以恢復自然懸浮狀態，甚至干擾其正常的生理機能。
光鑷切片顯微術的出現完美解決了這一問題。近日，中國科學院西安光學精密機械研究所（以下簡稱西安光機所）研究員徐孝浩、姚保利團隊創新性地將光鑷操控與光學成像技術結合起來，研制出光鑷切片顯微術。
這項技術全程借助光束實現對細胞的捕獲、組裝以及成像，不僅為懸浮細胞三維觀測提供了一種全光式、無侵害的技術手段，也為光鑷技術開拓了新的應用方向。相關成果發布在《科學進展》（Science Advances）。
懸浮細胞三維高清“抓”拍
光學切片（Optical Sectioning,OS）能夠有效分離光學成像過程中的離焦信號而提取在焦信號，是解析細胞三維結構和厚組織深層形態的重要工具，其實現方法包括共聚焦、雙光子、光片、結構光照明顯微等技術。
然而，這些技術依賴對樣品的機械式固定或粘附，難以適用于懸浮運動目標，限制了其在懸浮細胞原位觀測中的應用。此外，人工固定方法存在干擾細胞正常生理機能的風險。
“從細胞功能來看，免疫細胞在被固定后，其細胞膜上的受體活性會顯著下降，原本能快速識別并結合抗原的能力被抑制。從觀察效果來看，固定后的細胞處于非自然的受力狀態，容易發生形態變形。”徐孝浩舉例說，當紅細胞被固定在載玻片上時，其特有的雙凹圓盤形態會因玻片壓力發生顯著改變——中央凹陷被壓平，進而導致直徑、厚度等關鍵形態參數失真。“這種形態失真會直接干擾對紅細胞真實變形能力的判斷與分析?！?span style="display:none">i4F速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
徐孝浩回憶，課題組很早就想到了光鑷與光切片顯微這兩項技術結合的思路，但在研究初期發現傳統的光鑷并不能滿足顯微成像對于細胞樣品定位精度的要求，尤其是難以克服布朗運動導致的細胞旋轉運動。
西安光機所研究員姚保利（左）和博士生李星（右）在實驗室。受訪者供圖
轉機出現在團隊近年關于光鑷基礎理論的系列研究進展，他們發現了空間結構化光場可提供相較于點狀光鑷更高的空間束縛性能。因此團隊獨辟蹊徑，采用各向異性的瓣狀光鑷捕獲生物細胞，它能將細胞的布朗運動平動限制在數十納米范圍內，并且旋轉角小于1度。
在解決了細胞定位精度的關鍵問題之后，團隊進一步結合課題組在光學顯微成像和微操縱方面的長年積累經驗，成功實現了這類新型光鑷和光切片顯微的功能集成，最終研制出光鑷切片顯微術的設備平臺。
姚保利解釋說，光鑷切片顯微術簡單來說，它用激光鑷子“抓住”懸浮的細胞，同時以“切片”方式逐層查看細胞內部并濾除離焦信號，最終實現無需機械接觸的三維高清成像。
為生命科學研究帶來全新可能
懸浮細胞觀測技術通過避免傳統貼壁培養導致的細胞生理失真問題，為生命科學研究提供了更接近體內真實環境的觀測手段。未來，技術將主要用于懸浮細胞的精準操控和高清成像，有望應用于各類微米級細胞的三維形態病理檢測。
這項技術除了實現了對細胞自然狀態的真實還原外，也拓展了研究對象的范圍，讓更多類型的細胞得以深入研究。比如，血液中的紅細胞、白細胞，淋巴液中的淋巴細胞等原本難以用粘附方式研究的細胞，如今能被清晰觀察。
同時，能夠更準確地獲取細胞的形態和結構信息。由于細胞處于自然懸浮狀態，不會因外界壓力而變形，測量的形態參數更加可靠。以酵母細胞為例，通過懸浮觀測，其直徑、橢圓率等參數能被精確測量，有助于研究者更深入地了解酵母細胞在不同生長階段的形態變化規律。
此外，該技術還為研究細胞間的相互作用提供了可能。懸浮觀測技術可以同時捕獲多個細胞并讓它們在自然狀態下相互接觸，便于觀察細胞間信號傳遞、物質交換等過程。例如，在研究腫瘤細胞與免疫細胞的相互作用時，能清晰呈現免疫細胞的識別攻擊與腫瘤細胞的逃避過程，這對揭示腫瘤免疫逃逸機制具有重要意義。
只能在后半夜做的實驗
在實驗過程中，團隊也遇到了一些棘手的問題。據團隊成員、論文第一作者李星回憶，實驗要求懸浮細胞的定位精度達到幾十納米，但實驗室里人員走動、外面車輛經過帶來的振動，都會嚴重影響結果。
“沒辦法，只能在后半夜，凌晨一點到五點是實驗室周圍環境最安靜的時候，振動幾乎可以忽略?！蹦嵌螘r間，每當大家都下班回家，實驗室沒人的時候，團隊成員就會關閉實驗室內的設備和風扇，在非常安靜的環境里反復實驗。在持續一周的攻關后，團隊終于拿到了理想數據。
在對樣品進行選擇時，團隊也遭遇了一些曲折。李星回憶說，實驗需要找到既能懸浮又能進行熒光標記的細胞。一開始，團隊成員試著自己動手給酵母細胞染色，結果熒光亮度不夠，還特別容易被激光漂白。后來團隊成員查了很多資料，找到一種商用生物樣品，經過實驗，它的熒光強度和抗光漂白能力都正好符合實驗需求，這才解決了問題。
科研團隊合影。受訪者供圖
展望未來，團隊期望實現更高清的超分辨成像，將分辨率推進到100納米精度，以期滿足不同研究對細節和視野的需求。同時，希望推動生物醫學成像從“可觀察”向“可觀察-可操控”的路徑轉變，為疾病研究和藥物開發提供更實用的工具。
相關論文信息：https:// doi.org/10.1126/sciadv.adx3900
本文鏈接：他們用光鑷“抓住”細胞，拍下高清3D圖像http://www.sq15.cn/show-11-23542-0.html
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