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「晶格層光顯微術」可以用不到1秒時間取得一個活體影像,而且可以研究整個細胞分裂的過程(大約20幾分鐘)。圖片提供:陳壁彰。

活生生的細胞在顯微鏡下是什麼樣子?科學家今年有了重大突破。2014年10月24日《科學》(Science)期刊,封面故事是現任中央研究院應用科學中心助研究員陳壁彰,在美國諾貝爾化學獎得主Betzig實驗室所做的研究「晶格層光顯微術」(lattice light sheet microscopy)。此技術成功提昇了掃描速度,並且降低對生物樣品的光損害,可應用於單分子偵測、超分辨顯微術及活體生物細胞或胚胎發育上,具有3D空間和時間的解析能力,還可進行即時動態研究,再度改革了活體光學顯微術。

晶格層光顯微術 1秒內取得1活體影像

陳壁彰表示,光學影像技術對於了解生命科學,提供了非常多重要的信息,正所謂「眼見為憑」。隨著科技的進步,對於研究活體的影像技術來說,存在一個四角問題:要看得小、看得快、看得久、又要看的深。這項技術就是在這四角問題中取到最佳位置,降低觀測樣品的傷害性,還要有一定的觀測深度(約100 µm),去解決生物學家以前所無法解決的問題,尤其是在活體影像的範疇。(補充說明:1µm微米=10-6公尺)

此種新研發出的光學顯微鏡,有別於世面上所看到的光學顯微鏡,在於它是用一種所謂的「晶格層光顯微術」(lattice light sheet microscopy)。通常顯微鏡是用同一個鏡頭做放光及偵測,而層光顯微鏡則是用兩個正交的鏡頭;一個鏡頭將光聚焦產生一條非常細的筆狀光源,照射在有螢光分子的生物樣品,產生螢光;另一個採用寬場成像收集螢光,使得3D高解析生物影像可經由面掃描以快速取得。

顯微鏡的速度究竟是多快呢?以一個正在做細胞分裂的細胞來說(大約 15 x 15x 10 µm3),「晶格層光顯微術」可以用不到1秒時間取得一個活體影像,而且可以研究整個細胞分裂的過程(大約20幾分鐘)。這樣快速、高解析又對樣品低傷害的顯微鏡,不只用在細胞觀察,連線蟲和果蠅的蛋都可以。

跨越十年的研究

「光學晶格」概念早在2005年時即由Betzig提出,但直到現在,「晶格層光顯微術」才得以實際應用在活體生物觀察。2011 年秋天,陳壁彰加入Betzig實驗室,Betzig當時已有電腦的理論計算結果,但還不知道如何將理論變成一個顯微鏡,甚至是生物顯微鏡。陳壁彰回憶起一開始遇到極大困難,試了很多種方法,後來給了自己最後兩個月,若做不出來就要放棄了。他每天和同事,也是本篇論文的共同作者王凱一起工作;王凱做計算,陳壁彰驗證實用上的可行性,終於在2012年秋天有了基本的架構。

產生超過100道筆狀光束 提升掃描速度

陳壁彰表示,這項技術的主要突破關鍵,就是在如何同時形成100多條筆狀的光束,來增加掃描速度,降低對生物樣品的傷害;而且要能控制每條光束的距離及形狀,這些都是靠空間光調製器(spatial light modulator,簡稱SLM)來達成。

活體研究,取得數據的速度要非常快,且對生物樣品不能有太大的光損害。「晶格層光顯微術」可以同時產生很多筆狀光束(約100多條),這些筆狀的光形成一個類似片狀的光,沿著形成片狀的方向,做小範圍的掃描,就會形成一均勻的片狀光。陳壁彰舉例,想像觀察樣品是一個西瓜,而照射光源是一隻菜刀,西瓜的3D影像形成,就像是用菜刀將西瓜切成好幾百等分一樣;切得愈薄,所得到的緃向解析度愈高。一般市面上所看到的光學顯微鏡,是用點掃描的方式,速度慢,所以對活體的傷害大。

Betzig看到研究結果相當開心,大家知道所有的東西都解開了。但是Betzig接著說:「生物顯微鏡就是給生物人拿來應用的,不做生物合作,要做什麼?」於是,研究後期有一年多,陳壁彰都在做生物合作,同時也一直在加強顯微鏡的功能。這個期間,陳壁彰與世界各地三十幾組生物學家們,共同驗證了「晶格層光顯微術」的強大功能,從细胞分裂時,細胞骨架的瞬間變化,到線蟲發育的细節,都清楚呈現在論文中。

陳壁彰表示,與諾貝爾化學獎得主Betzig共同在一個實驗室研究,也受其對科學態度影響:「他讓我知道什麼是對科學的熱忱及執著,還有前贍性。」

論文發表於《Science》期刊

動態影片:顯微鏡下的活體細胞

資料來源:中央研究院應用科學中心陳壁彰助研究員

整理撰文:潘佳修