超分辨率顯微鏡技術(shù)突破了衍射極限，以低至10納米的觀測精度，為生命科學打開了新視界。

撰文 | Katarina Zimmer

翻譯 | LogicMoriaty

審校 | 姬子隰

性能強大的顯微鏡讓我們得以從全新的視角觀察細胞的生命活動。左圖展示了小鼠細胞核內(nèi) DNA 復(fù)制的細節(jié)：綠色部分是細胞的"復(fù)制機器"，紅色部分是已經(jīng)復(fù)制完成的 DNA，而藍色的則是組裝成染色質(zhì)的 DNA 。中圖可見小鼠結(jié)締組織細胞中，構(gòu)成細胞骨架的肌動蛋白纖維呈黃色，而細胞 DNA被染成了藍色。右圖展示了一個正在一分為二的人類細胞；其遺傳物質(zhì)被標記為紅色，而負責牽引姐妹染色單體分離的紡錘體則被標記為綠色。圖片來源：洛塔·謝爾梅勒（Lothar Schermelleh）。

先進的光學顯微技術(shù)正大放異彩，幫助科學家從全新的角度理解人類的生命活動以及疾病的致病機理。

借助夾在兩塊黃銅片之間的一枚微小的球形玻璃透鏡，17世紀的荷蘭顯微鏡學家安東尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）打開了微觀世界的大門，成為第一個正式描述人體紅細胞和精子細胞的人，并在湖水中觀察到了“微動物”（animalcules），也就是現(xiàn)在所說的細菌和原生生物。

之后，隨著光學顯微鏡的性能日益強大，人們進一步看到了細胞核和負責產(chǎn)生能量的線粒體等細胞器。但到了1873年，科學家們意識到光學顯微鏡的分辨率存在一個極限。當光線穿過透鏡時會發(fā)生衍射，這意味著，如果兩個物體的間距小于約 250 納米（即400萬分之一米），顯微鏡就無法分辨它們，只能看到模糊一片。這一衍射極限使得細胞結(jié)構(gòu)的內(nèi)部運作機制曾一度是無法觸及的盲區(qū)。

雖然電子顯微鏡可以通過使用電子束代替可見光進行成像，從而提供更高的分辨率，但是其成像是黑白的，這導(dǎo)致難以區(qū)分不同的蛋白質(zhì)。而且由于電鏡樣本通常需要固定和脫水，所以只能用來觀察已死亡的細胞。

不過現(xiàn)在，光學工程師和物理學家們已經(jīng)研發(fā)出了更加精妙的技術(shù)，成功克服了光學顯微鏡的衍射極限，打開了一個全新的微觀細節(jié)世界。這些"超分辨率"光學顯微技術(shù)的分辨率可達 100 納米，有時甚至能低于 10 納米?？茖W家們可以將微小的彩色熒光標簽附著在單個蛋白質(zhì)或 DNA 片段上，并且往往是在活細胞內(nèi)，從而實時觀察它們的活動。正是得益于此，科學家們正在深入理解細胞的運作機制，以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病、癌癥和病毒感染背后的病理原因，逐步填補這些關(guān)鍵的知識空白。

“我們現(xiàn)在真的能夠看到全新的生物學現(xiàn)象——那些我們長期以來希望看到，但是此前一直未能目睹的東西，”英國牛津大學成像中心主任、分子細胞生物學家洛塔·謝爾梅勒（Lothar Schermelleh）表示。以下正是科學家們在這個光學顯微技術(shù)的新時代中所獲得的的部分新發(fā)現(xiàn)。

突破衍射極限

謝爾梅勒解釋說，超分辨率顯微鏡采用了多種技術(shù)來探測那些一般被衍射極限掩蓋起來的細節(jié)。例如單分子定位顯微技術(shù)，它利用了這樣一個原理：如果光點是單獨出現(xiàn)的，而不是擠成一團，我們就能更精確地找到它的位置?；谶@個原理，科學家給想要觀察的目標分子貼上特殊的熒光標簽，讓它們自發(fā)發(fā)光。當這些標簽像星星一樣忽明忽暗地閃爍時，計算機模型就能夠推算出每個分子的確切位置，進而重構(gòu)出樣本的高分辨率圖像。

還有受激發(fā)射損耗技術(shù)（Stimulated emission depletion，STED），其利用激光掃描樣本，但是這束激光被另一束像甜甜圈一樣的激光環(huán)所包裹，而這個激光環(huán)能把中心點周圍不需要的熒光“抹去”，從而銳化顯微鏡的分辨率，讓成像顯得更加清晰銳利。第三種技術(shù)是結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)（Structured illumination microscopy，SIM），使用條紋狀的結(jié)構(gòu)光來照射樣本。這些條紋光會與樣本發(fā)出的光發(fā)生干涉，使得科學家能夠從中推斷出更多圖像中原本看不清的細節(jié)。

謝爾梅勒指出，這些技術(shù)的基礎(chǔ)原理早在 21 世紀初就已被開發(fā)出來，但直到最近，才得到真正普及，讓生物學家們能夠像使用普通儀器一樣日常地使用它們?！叭缃裎覀兪钦娴挠写罅康难芯宽椖吭谀贸直媛曙@微鏡做正經(jīng)的生物學研究，”他說，“而不再只是為了拍出好看的照片。

改寫生物學教科書

得益于這些新技術(shù)，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了全新的細胞結(jié)構(gòu)?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元擁有一種獨特的支架，稱為“膜相關(guān)周期性骨架”（Membrane-associated periodic skeleton，簡稱 MPS）。它不僅能讓細胞保持硬度和形狀，還能協(xié)助調(diào)節(jié)神經(jīng)信號的傳遞，對維持細胞整體功能至關(guān)重要。“MPS 幾乎參與了所有的神經(jīng)元功能，”哥倫比亞大學神經(jīng)生物學家維克多·馬卡龍-帕拉西奧斯（Victor Macarrón-Palacios）如此表示。他與他同事最近的研究指出，有一種名為 paralemmin-1的特殊蛋白質(zhì)在負責構(gòu)建 MPS 這一精細而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

專門的顯微技術(shù)揭示了神經(jīng)細胞具有一種特殊的內(nèi)部骨架，稱為“膜相關(guān)周期性骨架”。這種高度有序的納米結(jié)構(gòu)骨架受到一種名為 paralemmin-1的蛋白質(zhì)調(diào)控（圖中顯示的熒光標記部分）。圖片來源： 維克多·馬卡龍-帕拉西奧斯（Victor Macarrón-Palacios）/ 馬克斯·普朗克醫(yī)學研究所（Max Planck Institute for Medical Research）。

新的發(fā)現(xiàn)表明其他的細胞結(jié)構(gòu)比我們想象中的要復(fù)雜得多。2025 年早些時候，賓夕法尼亞大學的生物物理學家梅麗克·拉卡達米亞利（Melike Lakadamyali）和她的同事發(fā)現(xiàn)，溶酶體，這種在教科書中被認為負責分解細胞廢物的細胞器，其表面可能存在不同的蛋白質(zhì)組合。這說明特定的溶酶體可能還承擔著其他任務(wù)，例如感知營養(yǎng)物質(zhì)和修復(fù)受損的細胞膜。

科學家們還在研究細胞器之間是如何相互作用的。例如，美國弗吉尼亞州霍華德·休斯醫(yī)學研究所（Howard Hughes Medical Institute）珍利亞研究園區(qū)（Janelia Research Campus）的細胞生物學家詹妮弗·利平科特-施瓦茨（Jennifer Lippincott-Schwartz），正在深入研究線粒體是如何“?？俊痹趦?nèi)質(zhì)網(wǎng)上的。她關(guān)注的是兩者對接處的結(jié)構(gòu)細節(jié)，因為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)不僅負責合成蛋白質(zhì)，還要給線粒體輸送鈣和脂肪。

此類研究或許有助于揭示一些疾病的成因。去年，利平科特-施瓦茨發(fā)現(xiàn)，VAPB 基因的突變可能會干擾內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體的連接能力，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)無法正常連接到線粒體上，而這個基因被認為與一種破壞神經(jīng)的疾病，即“肌萎縮側(cè)索硬化癥”（Amyotrophic lateral sclerosis，ALS，俗稱漸凍癥）有關(guān)。她說，這種干擾可能會改變線粒體這一“能量工廠”的功能，從而有助于解釋漸凍癥是如何發(fā)病的?！皩τ谀切?dǎo)致疾病的各種基因突變，我們才剛剛開始了解它們在細胞生物學層面上究竟在起什么作用。”

深入觀察人類 DNA

科學家們也在深入觀察細胞核，研究其中的DNA。如果將一個人類細胞內(nèi)的 DNA 取出并拉直，其長度約為兩碼（約 1.8 米）。為了能塞進微小的細胞核里，DNA 會像線一樣纏繞在被稱為組蛋白的蛋白質(zhì)上，形成一串珠子似的結(jié)構(gòu)，即染色質(zhì)。染色質(zhì)再進一步盤曲折疊，最終就形成了我們的染色體。

謝爾梅勒一直在研究哺乳動物細胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)是如何在三維空間中排列的。他指出，染色質(zhì)的環(huán)狀和簇狀結(jié)構(gòu)（也被稱為“結(jié)構(gòu)域”），只有利用超分辨率顯微技術(shù)，例如使用熒光標簽標記 DNA 片段，才能夠看清楚?！斑@些結(jié)構(gòu)的尺度恰好略低于衍射極限，所以以前根本沒法觀察研究?！?/p>

在成纖維細胞的細胞核內(nèi)，一種名為H2B的DNA結(jié)合組蛋白被熒光標記為黃色。圖像的上半部分是用常規(guī)寬場熒光顯微技術(shù)拍攝的；下半部分則是用超分辨率顯微技術(shù)拍攝的。圖片來源：M.A. Ricci 等/《細胞》（Cell）2015。

例如，拉卡達米亞利就發(fā)現(xiàn)，由 DNA 與組蛋白構(gòu)成的“串珠”，其組織結(jié)構(gòu)遠比科學家原來以為的要更加多變，其中某些 DNA 區(qū)域的堆積致密程度要高于其他區(qū)域。

這種打包方式?jīng)Q定了特定 DNA 區(qū)域的“可及性”，也就是是否容易被接觸到。這一點至關(guān)重要，因為人體內(nèi)不同的細胞，比如心肌細胞或神經(jīng)元，只需要使用一小部分特定的基因。那些需要被使用的基因會維持在一種較為松散、易于接觸的狀態(tài)，而其他被“沉默”的基因則會被緊緊地壓縮起來。

2015 年，拉卡達米亞利發(fā)現(xiàn)，能夠分化成任何細胞類型的胚胎干細胞，其染色質(zhì)結(jié)構(gòu)非常松散；相比之下，那些已經(jīng)將不需要的基因“沉默”的特化細胞，其染色質(zhì)結(jié)構(gòu)則緊密得多?！拔覀儗嶋H上可以根據(jù)染色質(zhì)的空間組織形式，來判斷一個細胞究竟是干細胞還是分化細胞，”拉卡達米亞利說道。她曾與人合著了一篇超分辨率技術(shù)綜述，于 2023 年發(fā)表在《生物物理學年度評論》（Annual Review of Biophysics）上。

改善癌癥療法

科學家們還將目光投向了病變細胞。例如，德國維爾茨堡大學（University of Würzburg）的生物物理學家馬庫斯·薩奧爾（Markus Sauer）正在研究癌細胞表面的特定受體蛋白，這些蛋白是抗癌療法中的攻擊靶點。就拿血癌來說，科學家已經(jīng)能通過基因工程改造免疫細胞，讓它們?nèi)プ粉櫜⑾麥缒切┍砻鎺в刑囟ǖ鞍椎陌┘毎?/p>

但是，薩奧爾表示，那些通常用來分析病人癌細胞蛋白、幫助醫(yī)生選擇有效療法的技術(shù)，往往并不夠全面。這一點早在 2015 年就得到了證實，當時醫(yī)生發(fā)現(xiàn)，用針對 CD19 受體的藥物治療多發(fā)性骨髓瘤（一種血癌）效果很好。然而奇怪的是，按照當時的標準檢測方法，這些癌細胞上根本就"看"不到 CD19。

2019 年，薩奧爾和他的同事發(fā)現(xiàn)，利用超分辨率顯微技術(shù)，CD19蛋白其實清晰可見。并且他們研究發(fā)現(xiàn)，免疫療法的"眼力"非常好：即便癌細胞表面混雜了成百上千種其他的蛋白質(zhì)，但只要有區(qū)區(qū)10個CD19蛋白，就足以讓免疫療法識別并殺死癌細胞。”

一種新的顯微技術(shù)能夠點亮癌細胞表面的CD19蛋白。圖中展示了多發(fā)性骨髓瘤患者細胞上的這種蛋白，檢測它有助于確定哪些患者能從靶向CD19的療法中受益。圖片來源： 馬庫斯·薩奧爾（Markus Sauer）。

薩奧爾指出，利用這些顯微技術(shù)，我們可以更精準地為患者找到對癥的療法。他最近的研究不僅發(fā)現(xiàn)了一種新的治療靶點受體蛋白，還弄清楚了殺傷腫瘤的具體過程。這些新知識將有助于改善免疫療法，讓它更加有效。而做到這些的關(guān)鍵在于，“你必須在分子水平上親眼看到這些過程，”他說道。

拍攝病毒入侵

病毒用來感染人類細胞并進行自我復(fù)制的那些狡猾伎倆，也是科學家們的研究對象。德國亥姆霍茲感染研究中心（Helmholtz Centre for Infection Research）的病毒學家克里斯蒂安·齊本（Christian Sieben）表示，了解這些動態(tài)過程，能幫助科學家研發(fā)出新的抗病毒藥物。

例如， 2025 年初，齊本展示了甲型流感病毒感染人類細胞的過程。通過對病毒蛋白和人類蛋白進行標記，他和他的同事觀察到，病毒最初只會附著在細胞表面的單個受體蛋白上。隨后，病毒會靜靜等待，直到其他在細胞膜上游走的受體蛋白聚集到附近（因為細胞膜具有流動性）。齊本和他的同事發(fā)現(xiàn)，只有當病毒與多個受體結(jié)合后，它才能成功鉆進細胞里。

此外，2024 年，斯坦福大學的一組科學家研究了新冠病毒（Covid-19）在人體細胞內(nèi)進行復(fù)制的過程。生物物理學家列昂尼德·安德羅諾夫（Leonid Andronov）及其同事利用熒光標簽標記了病毒的遺傳物質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn) SARS-CoV-2 會給自己制造一個具有雙層膜的“氣泡”，并躲在里面復(fù)制自己的遺傳物質(zhì)。安德羅諾夫認為，這很可能是為了躲避細胞的攻擊和破壞。

當新冠病毒在人體細胞內(nèi)復(fù)制時，它會將自己包裹在雙層膜氣泡中，以躲避細胞免疫系統(tǒng)的攻擊。在圖中，這些氣泡呈現(xiàn)為病毒熒光標記遺傳物質(zhì)的團塊狀聚集物。圖片中央的黑色圓形部分是細胞核。圖片來源：L. Andronov 等/ 《自然-通訊》（Nature Communications） 2024。

隨著越來越多的科學家利用超分辨率顯微鏡來觀察細胞內(nèi)部的活動，他們還能期望看到多少更深層的細節(jié)呢？拉卡達米亞利認為，技術(shù)的改進，比如研發(fā)更小的熒光探針——這使得人們能夠在單個蛋白質(zhì)上打上多個標簽——有望進一步提升分辨率。

也許有一天，超分辨率顯微鏡的進步能夠與電子顯微鏡相媲美。畢竟，就在二十年前，“我們甚至還不知道我們可以突破衍射極限，但是在這二十年里，我們?nèi)〉昧巳绱司薮蟮倪M展。所以我認為，這是完全有可能的。” 拉卡達米亞利這么認為。

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號“中科院物理所”。

原文鏈接：https://knowablemagazine.org/content/article/technology/2025/super-resolution-microscopes-reveal-new-details-cells

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