SoTILT3D成像平台揭示纳米尺度细胞相互作用

由莱斯大学的Anna-Karin Gustavsson领导的研究团队开发了一种创新的成像平台，有望改善我们对纳米尺度细胞结构的理解。这个平台称为soTILT3D，即单目标倾斜光片与3D点扩散函数（PSFs），在超分辨率显微镜方面提供了重大进展，能够在控制和灵活调整细胞外环境的同时，快速精确地进行多细胞结构的3D成像。这项研究最近发表在《自然通讯》上。

在纳米尺度上研究细胞可以揭示驱动细胞行为的复杂机制，使研究人员能够发现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理解疾病发病机制至关重要。

尽管传统的荧光显微镜在研究细胞结构方面非常有用，但由于光的衍射限制，其解析小于几百纳米的特征的能力受到限制。此外，虽然单分子超分辨率显微镜在纳米尺度上提供了突破性的生物结构见解，但现有技术通常受到高背景荧光和慢速成像速度的影响，尤其是在处理厚样本或复杂细胞聚集体时。它们通常还缺乏对样本环境的精确、可调控制。

soTILT3D平台直接解决了这些挑战。通过将倾斜光片、纳米打印的微流控系统和高级计算工具协同集成，soTILT3D显著提高了成像精度和速度，使得在传统上具有挑战性的样本中也能更清晰地观察不同细胞结构之间的相互作用。

“光片是使用与显微镜成像相同的物镜形成的，并且完全可操控，抖动以消除常见的光片显微镜阴影伪影，并倾斜以实现从盖玻片到顶部的成像，”莱斯大学化学助理教授兼本研究的通讯作者Anna-Karin Gustavsson说。“这使我们能够从上到下对整个样本进行成像，精度更高。”

该平台还结合了一个定制设计的微流控系统，内置可定制的金属化微镜，能够精确控制细胞外环境，并允许快速溶液交换，非常适合顺序多目标成像，而不会出现多色方法中常见的颜色偏移，同时还能将光片反射到样本中。

“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轻松适应各种样本和长度尺度，提供不同实验设置的灵活性，”论文共同第一作者Nahima Saliba说，她与同样来自莱斯大学Smalley-Curl研究所和应用物理研究生项目的博士生Gabriella Gagliano一起完成了这项工作。

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，提高成像速度，并使用算法进行实时漂移校正，从而在长时间内实现稳定、高精度的成像。

“平台的PSF工程实现了单分子的3D成像，而深度学习则处理传统算法难以应对的密集发射条件，显著提高了采集速度，”Nahima Saliba说。

soTILT3D平台在成像精度和速度方面展示了显著的改进。该平台的倾斜光片将细胞成像的信号背景比提高了多达六倍，相比传统的落射照明方法，提高了对比度，实现了精确的纳米尺度定位。

“这一级别的细节揭示了传统方法难以观察到的3D细胞结构的复杂方面，”Gagliano说。

在速度方面，当与高发射密度和深度学习分析结合时，soTILT3D的速度提高了十倍，使研究人员能够在短时间内捕获复杂结构（如核纤层、线粒体和细胞膜蛋白）的详细图像。此外，该平台支持准确的全细胞3D多目标成像，捕捉整个细胞内多种蛋白质的分布，并测量它们之间的纳米尺度距离。研究人员现在可以以惊人的精度和准确性可视化紧密相邻的蛋白质（如核纤层蛋白B1和A/C以及核纤层相关蛋白2）的空间排列，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。

soTILT3D平台为各个领域的研究人员开辟了新的可能性。其成像复杂样本（包括干细胞聚集体）的能力使其应用范围超越了单个细胞。微流控系统的生物相容性使其适合活细胞成像，科学家可以在减少光损伤的情况下实时研究细胞对不同刺激的反应。其精确控制的溶液交换特性也使soTILT3D成为测试药物治疗如何实时影响细胞的理想工具。

“我们开发soTILT3D的目标是创建一个克服传统超分辨率显微镜局限性的灵活成像工具，”Gustavsson说。“我们希望这些进步能够增强生物学、生物物理学和生物医学领域的研究，其中纳米尺度上的复杂相互作用对于理解细胞功能在健康和疾病中的作用至关重要。”

(全文结束)