超分辨显微镜技术为血液细胞成像带来新曙光

Super-resolution microscopy: Shedding new light on blood cell imaging

Huan Deng, Yan Ma, and Yu-Hui Zhang

https://doi.org/10.1142/S1793545824300064

在生物医学光子学领域，超分辨率显微镜技术（SRM）近年来取得了显著进展，为血液细胞成像带来了新的可能性。血液细胞作为人体最基础的组成部分，其亚细胞结构和蛋白质的纳米级检测对于评估个体健康状况、实现精准诊断以及制定高效治疗策略具有重要意义。本文将介绍来自华中科技大学张玉慧教授课题组的一篇最新综述型论文，探讨SRM技术在血液细胞研究中的应用及其未来发展方向。

SRM技术的基本原理

超分辨率显微镜技术通过突破传统光学显微镜的衍射极限，实现了对亚细胞结构和蛋白质的高分辨率成像。其中，单分子定位显微镜（SMLM）利用荧光分子的闪烁特性，通过精确测量每个荧光分子的位置，实现了10-20纳米的成像精度。而刺激发射耗尽显微镜（STED）则通过抑制荧光发射，将成像分辨率提升至10纳米。此外，结构化照明显微镜（SIM）和扩展显微镜（ExM）也分别以其独特的成像原理，为SRM技术的发展提供了新的思路。

SRM技术在血液细胞中的应用

1)红细胞

SRM技术在红细胞研究中发挥了重要作用，尤其是在疟疾感染机制、红细胞细胞骨架系统以及红细胞衰老的分子机制研究中。例如，研究人员利用3D结构化照明显微镜（3D-SIM）首次观察到疟原虫侵入红细胞的过程，揭示了疟原虫在红细胞内的动态变化。此外，通过超分辨率成像技术，研究人员还发现了红细胞细胞骨架的不对称性，为理解红细胞的双凹形形态和形状记忆提供了有力的分子影像学解释。

2)血小板

血小板作为血液中最小的细胞，其亚细胞结构和蛋白质分布的变化对于理解血小板的功能至关重要。近年来，SRM技术为血小板研究提供了新的视角。例如，研究人员利用STORM技术揭示了血小板在激活过程中微管和颗粒的分布变化，为理解血小板的止血功能提供了新的线索。此外，SRM技术还被用于研究血小板在肿瘤微环境中的作用，发现肿瘤细胞能够诱导血小板中特定蛋白质的分布变化，为肿瘤液体活检提供了新的可能性。

3)中性粒细胞

中性粒细胞在免疫系统中扮演着重要角色，其复杂的动态过程和亚细胞结构对于理解中性粒细胞的功能至关重要。近年来，SRM技术在中性粒细胞研究中取得了显著进展，尤其是在中性粒细胞胞外陷阱（NETs）的形成机制和组成成分研究中。例如，研究人员利用STED技术实时监测了NETosis过程，揭示了中性粒细胞在NETosis过程中的动态变化。此外，SRM技术还被用于研究中性粒细胞在炎症反应中的作用，发现中性粒细胞与T细胞之间的免疫突触形成过程，为理解中性粒细胞的免疫调节功能提供了新的视角。

4)淋巴细胞

淋巴细胞在免疫系统中发挥着重要作用，其亚细胞结构和表面受体的分布对于理解淋巴细胞的功能至关重要。近年来，SRM技术在淋巴细胞研究中取得了显著进展，尤其是在B细胞受体（BCR）和T细胞受体（TCR）的分布研究中。例如，研究人员利用dSTORM技术揭示了慢性淋巴细胞白血病（CLL）患者B细胞表面BCR的聚集状态，为CLL的诊断和治疗提供了新的思路。此外，SRM技术还被用于研究淋巴细胞在免疫突触形成过程中的作用，发现B细胞在抗原刺激下通过大质膜内陷回收受体聚集物，为理解B细胞的免疫调节功能提供了新的视角。

5)巨噬细胞

巨噬细胞在免疫系统中发挥着重要作用，其亚细胞结构和功能状态对于理解巨噬细胞的功能至关重要。近年来，SRM技术在巨噬细胞研究中取得了显著进展，尤其是在巨噬细胞的吞噬作用和炎症反应研究中。例如，研究人员利用3D-STORM技术揭示了巨噬细胞足突簇的空间结构及其与微管骨架的物理连接，为理解巨噬细胞的吞噬功能提供了新的视角。此外，SRM技术还被用于研究巨噬细胞在炎症环境中的功能变化，发现巨噬细胞在炎症刺激下细胞膜和线粒体的形态发生显著变化，为理解巨噬细胞的炎症反应提供了新的线索。

结语

超分辨率显微镜技术为血液细胞研究带来了新的曙光，其在红细胞、血小板、中性粒细胞、淋巴细胞和巨噬细胞中的应用为理解这些细胞的功能和病理机制提供了新的视角。然而，SRM技术在血液细胞研究中仍面临诸多挑战，如降低光毒性、提高活细胞成像的时空分辨率以及开发更多适用于彩色成像的荧光染料和荧光蛋白等。未来，随着SRM技术的不断发展和多种成像模式的结合，其在血液细胞研究中的应用前景将更加广阔，为生命科学研究提供更全面的视角。

通讯作者简介

张玉慧：华中科技大学武汉光电国家研究中心教授，研究方向为用于活细胞超分辨成像的有机荧光探针研究及其应用，细胞器互作方式、互作的动态过程和动态网络绘制。更多详情见：http://faculty.hust.edu.cn/zhangyuhui/zh_CN/index.htm