SoTILT3D成像平台：揭示纳米级细胞相互作用

　　赖斯大学安娜-卡琳·古斯塔夫森领导的一个研究小组开发了一种创新的成像平台，有望提高我们对纳米级细胞结构的理解。

　　

赖斯大学安娜-卡琳·古斯塔夫森领导的一个研究小组开发了一种创新的成像平台，有望提高我们对纳米级细胞结构的理解。这个平台被称为soTILT3D，用于具有3D点扩展函数（psf）的单物镜倾斜光片，在超分辨率显微镜方面取得了重大进展，能够对多个细胞结构进行快速精确的3D成像，同时可以控制和灵活调整细胞外环境。这项研究最近发表在《自然通讯》杂志上。

在纳米尺度上研究细胞提供了对驱动细胞行为的复杂机制的见解，使研究人员能够揭示对理解健康和疾病至关重要的细节。这些细节可以揭示分子相互作用如何促进细胞功能，这对于推进靶向治疗和了解疾病发病机制至关重要。

虽然传统的荧光显微镜对研究细胞结构很有用，但它受到光衍射的限制，限制了它分辨小于几百纳米的特征的能力。此外，虽然单分子超分辨率显微镜在纳米尺度上对生物结构提供了开创性的见解，但现有的技术往往存在高背景荧光和慢成像速度的问题，特别是在处理厚样品或复杂的细胞聚集体时。它们通常也缺乏对样品环境的精确、可调节的控制。

soTILT3D平台直接解决了这些挑战。通过协同集成角度光片，纳米打印微流体系统和先进的计算工具，soTILT3D显着提高了成像精度和速度，允许更清晰地可视化不同细胞结构如何在纳米尺度上相互作用。即使是在传统上具有挑战性的样本中。

关键创新

soTILT3D平台使用单物镜倾斜光片选择性地照亮样品的薄片，通过减少失焦区域的背景荧光有效地增强对比度，特别是在厚的生物样品中，如哺乳动物细胞。

赖斯大学化学助理教授、该研究的通讯作者Gustavsson说：“光片是使用与显微镜成像相同的物镜形成的，它是完全可操纵的，抖动以消除在光片显微镜中常见的阴影，并且倾斜以使成像一直到盖盖。”“这使我们能够以更高的精度从上到下对整个样品进行成像。”

该平台还集成了一个定制设计的微流体系统，内置可定制的金属化微镜，可以精确控制细胞外环境，并允许快速的溶液交换，这是无颜色偏移的顺序多目标成像的理想选择，同时还允许将光片反射到样品中。

“微流控芯片的设计和几何形状以及带有微镜的纳米打印插入物可以很容易地适应各种样品和长度尺度，在不同的实验设置中提供多用途，”Nahima Saliba说，他是该论文的第一作者之一，与研究生Gabriella Gagliano一起，他也与Rice的small - curl研究所和应用物理研究生项目有关。

此外，soTILT3D利用深度学习等计算工具来分析更高的荧光团浓度，以提高成像速度和实时漂移校正算法，从而在较长时间内实现稳定、高精度的成像。

“该平台的PSF工程实现了单分子的3D成像，而深度学习处理了传统算法难以处理的密集发射器条件，从而显著提高了采集速度。”Nahima Saliba说。

SoTILT3D的微流体装置还支持自动的Exchange-PAINT成像，允许不同的目标依次可视化，而不需要在纳米级深度成像时多色方法中常见的颜色偏移。

开创性的结果

soTILT3D平台在成像精度和速度上有了显著的提高。与传统的外延照明方法相比，该平台的角度光片将细胞成像的信号与背景比提高了6倍，提高了对比度并实现了精确的纳米级定位。

“这种程度的细节揭示了3D细胞结构的复杂方面，这些方面传统上很难用传统方法观察到，”Gagliano说。

在速度方面，soTILT3D在与高发射器密度和深度学习分析相结合时提供了十倍的增长，使研究人员能够在通常时间的一小部分内捕获整个细胞的复杂结构的详细图像，如核层，线粒体和细胞膜蛋白。此外，该平台支持精确的全细胞3D多靶点成像，捕获整个细胞内多种蛋白质的分布，并测量它们之间的纳米级距离。研究人员现在可以非常精确和准确地可视化靠近的蛋白质的空间排列，如核层蛋白层蛋白B1和层蛋白A/C以及层相关蛋白2，为蛋白质组织及其在调节细胞功能中的作用提供了新的见解。

在生物学和医学上的广泛应用

soTILT3D平台为各个领域的研究人员开辟了新的可能性。其成像复杂样品的能力，包括干细胞聚集体，将其应用范围扩展到单个细胞之外。微流体系统的生物相容性使其适合于活细胞成像，使科学家能够实时研究细胞对不同刺激的反应，同时减少光损伤。其精确控制的溶液交换功能也使soTILT3D成为测试药物治疗如何实时影响细胞的理想工具。

Gustavsson说：“我们的目标是创造一种灵活的成像工具，克服传统超分辨率显微镜的局限性。”“我们希望这些进步将加强生物学、生物物理学和生物医学的研究，在这些领域，纳米尺度上复杂的相互作用是理解细胞功能在健康和发病机制中的关键。”