新型显微镜可追踪胚胎发育单细胞分裂过程

从一个受精卵发育成多种功能的胚胎，细胞要经过上千次分裂和复杂的排列重组。据物理学家组织网6月3日报道，霍华德·休斯医学研究院珍妮莉娅法姆研究学院开发出一种最新的成像技术，能以前所未有的速度和精确度看到这一过程，让人们能追踪胚胎成形时每个细胞在几天甚至几小时内的变化。相关论文发表在6月3日出版的《自然·方法学》上。

　　研究人员演示了一段约20小时的果蝇胚胎发育视频。在视频中，生物结构逐渐出现，从一小团简单的细胞簇慢慢变长，变成上万个细胞紧紧挤在一起的拉长的小胚胎，然后在新形成的肌肉收缩舒张下开始颤动，此时胚胎仅有半毫米长。此外，论文中还有一段果蝇胚胎中枢神经系统完整的发育视频，跟踪了单个细胞发育出感觉器官、脑叶及其他结构的过程，由于分辨率足够高，还能看到神经轴突尖端迅速变化。

　　发明该技术的珍妮莉娅法姆研究学院的菲利普·凯勒说，要理解一个单细胞怎样变成了复杂的组织，真实看到这一过程非常重要。传统光学显微镜速度太慢，无法跟踪细胞在生命初期的迅速变化，也容易破坏一个活胚胎，只能通过把多阶段、多组织的照片拼在一起，才能推测发生的变化，但"细胞分裂重组每次都不一样，这种观察方法可能会产生误导"。

　　新技术基于一种高速非侵入式光学显微镜，称为SiMView光层显微镜，能从4个角度同时拍摄图像，不仅能跟踪细胞运动，还能对发展过程进行数量分析。该显微镜由凯勒小组和德国的欧洲分子生物实验室合作开发，攻克了传统光学显微镜的两个难题：一是光源对样本造成的伤害，二是对海量数据进行处理分析。

　　大部分光源都会伤害细胞，使其中的荧光标记消失。研究小组设计的照明技术是一种激光扫描层，一次照射样本极薄的一层以减少伤害，由探测仪记录下被照亮的部分。光层来自两个相反方向，并用两个探测仪来探测荧光，照明与探测相结合，提供了4个不同的观察角度。不仅能避免由于光散射而造成的模糊，还将图像采集速度提高了50倍。

　　要让照亮样本和探测荧光在时间、位置上协调一致，时机吻合极为重要，光层交叉通过会造成图像模糊，发光间隔仅几毫秒。为了保持精度，SiMView还安装了实时调节的电子系统。

　　显微镜每秒会收集350Mb的数据，一个样本一天要产生海量数据，而不同条件或不同基因的发育对比实验，所要求的数据比这还要多好多倍。为此，研究人员开发出一种新的计算方法，能识别并跟踪显微镜视频中单个细胞并自动分析。这些都构成了拍摄活样本这一完整技术框架的必要组成部分。

　　凯勒表示，他们还将继续改进显微镜使计算过程更加有效。今后不仅能追踪胚胎中细胞的一代代世系，还可能控制发育以探索发育机制，并研究其他更大更复杂样本的发育过程。