专注于 病毒学

Movie courtesy of Rudolph Reimer, Heinrich Pette Institute, Leibniz Institute for Experimental Virology

病毒活性实时成像和量化技术

体型极小(仅5-300 nm)的病毒使得对其结构和功能的研究颇具挑战性。最近几个世纪以来发现了多种病毒并研发出了对抗这些病毒的疫苗,但直到1931年发明电子显微镜之后,人们才第一次看清它们复杂的结构。从那时起,光学显微镜技术(如荧光成像)便在病毒研究领域发挥着日益显著的作用,使得对生物系统中病毒活性的研究成为可能。尼康是领先的先进光学显微镜系统制造商,致力于实时高效获取高分辨率病毒活性图像的拍摄。鉴于快速、可靠分析病毒活性变得愈发重要,尼康将比以往更加坚定地致力于开发和支持针对此类工作的先进系统。

活细胞成像

具有高时空分辨率和最小光漂白的病毒成像

尼康的各种技术储备,包括高速荧光和共聚焦显微镜、基于人工智能(AI)的软件技术以及实时焦点锁定系统(PFS:完美对焦系统),都有助于成功拍摄长时序下光漂白最小化的病毒生理过程。

ECLIPSE Ti2荧光倒置显微镜是应用于病毒学的强大的活细胞成像平台。它具有无与伦比的25 mm视场(FOV),一次拍摄就能捕捉大范围内的细胞和病毒变化和互作。完美对焦系统(PFS)能够防止焦点漂移,确保移动中的细胞和病毒始终处于合焦状态,从而支持长时间高速采集过程中的高分辨率成像。

A1R HD25CSU-W1 SoRa和Crest X-Light V3共聚焦显微镜的视场(达25 mm)几乎是传统共聚焦显微镜视场的两倍。如此大的视场允许在一张图像中收集更多的数据,从而提高了采集效率。全内反射荧光(TIRF)显微镜(其模块可以安装在Ti2倒置显微镜上)的使用也使得实时观察活细胞中的病毒活性成为可能。TIRF使我们能够以非常高的信噪比研究细胞膜附近的过程,例如病毒进入细胞的机制及其对细胞间相互作用影响。增强分辨率在采用光学光子再分配概念的CSU-W1 SoRa转盘式共聚焦显微镜上得以实现。Crest X-Light V3转盘式共聚焦显微镜能在25 mm的宽阔视场上提供均匀照明。

利用A1R HD25的高速共振扫描器可以最大程度减小用于病毒染色的荧光探针的光毒性和光漂白。A1R HD25共聚焦显微镜的优势在于,它可以通过结合高清晰度共振扫描器与25 mm大视场来提高通量。尼康的所有活细胞成像解决方案都结合了NIS-Elements,这是一个统一的采集和分析软件平台,目前支持尼康的NIS.ai深度学习模块,包括Clarify.ai、Denoise.ai和Enhance.ai。

Clarify.ai利用预训练的神经网络自动消除荧光图像中的模糊。Denoise.ai也利用预训练的神经网络实时或在采集后消除共振共聚焦数据中的泊松散粒噪点。当与A1R HD25共聚焦显微镜组合时,Denoise.ai能够让用户快速采集具有低信噪比特征的图像,而要充分分辨此类图像则需要更长的停留时间。Enhance.ai则用于病毒的微光荧光成像,这对微量光敏检测标记是必不可少的。利用匹配的高、低信噪比图像数据训练神经网络,使得它能够快速预测后续输入图像的高信噪比类型。

Enhance.ai
原始图像
Denoise.ai
原始图像
Clarify.ai
原始图像

案例研究:

米国プリンストン大学のLynn Enquist博士のチームは、ニコンの生細胞蛍光イメージングプラットフォーム(ECLIPSE Ti倒立顕微鏡をNIS-Elementsソフトウェアで制御)を利用して、神経細胞培養におけるアルファヘルペスウイルスの輸送と拡散について研究しています。この研究では、蛍光タンパク質融合体を発現するウイルスを、一昼夜にわたりリアルタイムに生細胞タイムラプスイメージングすることにより、一次ニューロンの感染におけるウイルスの集合を解明します。また、この方法は、ウイルスに対する蛍光イメージングの影響を最小限に抑えることができます。

(Taylor, M.P.等人。(2013年)J. Vis. Exp. (78),e50723,doi:10.3791/50723)。

超分辨率

病毒结构和活性的超分辨率成像

病毒颗粒的大小相差很大,直径跨度大约从5 nm到300 nm,相当于从接近传统荧光显微镜分辨率极限到超过该分辨率极限的范围。几百年来,光学显微镜只能分辨XY方向上约200 nm、Z方向上约500 nm的细胞细节,而新型超分辨率技术已经成功分辨出XY方向上约20 nm、Z方向上约50 nm的生物细节。这使得研究具有近分子水平细节的细小微生物和某些情况下的稀有微生物(包括病毒)成为可能。这些超分辨率技术有助于填补传统荧光显微镜与电子显微镜之间的差距。

尼康可为不同的成像应用提供一系列超分辨率系统。结构化照明显微术(SIM)在维持高采集速度和灵活样本制备需求的同时,还能提供X、Y和Z方向上两倍于典型荧光显微镜的分辨率。随机光学重建显微术(STORM)能提供最高水平的细节 - 最高可达传统技术手段能达到的分辨率的10倍。

SIM利用混频的概念识别图像中的超分辨率频率信息。其原理是用各种已知的空间频率图案照亮样本并比较每种图案对图像进行的调制以及后续分析(目的是揭示无法直接观察的超分辨率频率信息并利用该信息计算最终图像)。N-SIM S的采集速度达每秒15帧,这是通过用于图案调制的空间光调制器(SLM)实现的,这对于活细胞中病毒生理活动的观察尤其有帮助。N-SIM S可以在和共聚焦系统相同的显微镜支架上实现。这种关联法允许大视场上的快速共聚焦成像,并保留关注区的超分辨率采集。

N-STORM超分辨率显微镜通过只‘开启’样本中的少量非重叠荧光团超越了光学分辨率极限。它允许高精度识别单一发射事件的质心位置。在多个成像帧上重复该过程能够以前所未有的分辨率(XY方向上约20 nm,Z方向约50 nm)重建整个图像。由于更好地纠正了水介质中的球面像差,尼康的100倍硅浸透镜(NA = 1.35)能够在活细胞培养和较厚样本中提供更为卓越的3D性能。

和所有尼康显微镜一样,NIS-Elements软件是成像成功的基础,并极大简化了超分辨率图像的采集和分析。

案例研究:

位于德国汉堡海因里希·佩特研究所(HPI)的尼康卓越中心(CoE)是以显微术基础理论和前沿技术为主、研究人类病原病毒的研究教育中心。在HPI进行的一项研究表明多色3D STORM技术能够实现丙肝病毒(HCV)感染的超分辨率成像。STORM能够在感染细胞内质网膜上的小脂滴中可视化HCV结构内核和E2包膜蛋白的空间分布。这些共定位区域的直径约为100 nm,人们认为这些区域代表病毒装配位点。

(Eggert、D.等人。(2014年)PloS ONE 9(7):e102511。Doi:10.1371/journal.pone.0102511)。