激光熒光雙光子顯微鏡圖像對比度

臨研所、病理科和科研處邀請北京大學王愛民副教授在2020年12月22日做了題目為“新一代微型雙光子顯微成像系統(tǒng)介紹及其在臨床醫(yī)療診斷”的學術報告。學術報告由臨研所醫(yī)學實驗研究平臺潘琳老師主持。王愛民，北京大學信息科學技術學院副教授，畢業(yè)于北京大學物理系，獲學士、碩士學位，后于英國巴斯大學物理系獲博士學位。該研究組研發(fā)的微型雙光子顯微鏡，第1次在國際上獲得了小鼠大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸清晰穩(wěn)定的動態(tài)信號，該成果獲得了2017年度“中國光學進展”和“中國科學進展”，并被NatureMethods評為2018年度“年度方法--無限制行為動物成像”。目前，該研究組正在研究新一代雙光子顯微成像技術在臨床診斷中的應用，為未來即時病理、離體組織檢測、術中診斷等提供新型的影像手段和分析方法。雙光子顯微鏡的基本原理是：在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時吸收 2 個長波長的光子。激光熒光雙光子顯微鏡圖像對比度

在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時吸收兩個長波長的光子，然后發(fā)射出一個波長較短的光子，其效果和使用一個波長為長波長一半的光子去激發(fā)熒光分子是相同的（如下圖）。如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），在單光子激發(fā)時，在波長為350nm光的激發(fā)下發(fā)出450nm熒光；而在雙光子激發(fā)時，可采用750nm的激發(fā)光得到450nm熒光。由于雙光子激發(fā)需要很高的光子密度，為了不損傷細胞，雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發(fā)出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，從而可以減少光漂白和光毒性帶來的不利影響。國外ultima2PPLUS雙光子顯微鏡商家電話雙光子顯微鏡可以在小鼠的的任何部位進行有生命體成像。

隨著技術的發(fā)展，雙光子顯微鏡的性能得到不斷地優(yōu)化，結合它的特點，大致可以分成深和活兩個方面的提升。要想讓激發(fā)激光進入更深的層面，大致可從兩個方面入手，裝置優(yōu)化與標本改造。關于裝置優(yōu)化，我們可以把激光束變得更細，使能量更加集中，就能讓激光穿透更深。關于標本，其中影響光傳播的主要是物質(zhì)吸收和散射，解決這個問題，我們需要對樣本進行透明化處理。一種方法是運用某種物質(zhì)將標本浸泡，使其中的物質(zhì)（主要是脂質(zhì)）被破壞或溶解。另一種方法是運用電泳將脂質(zhì)電解，讓標本的“透明度”提高。

雙光子熒光顯微鏡是激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術相結合的新技術。雙光子激發(fā)的基本原理是:在光子密度較高的情況下，熒光分子可以同時吸收兩個波長較長的光子，經(jīng)過短暫的所謂激發(fā)態(tài)壽命后，發(fā)射一個波長較短的光子；效果和用波長為長波長一半的光子激發(fā)熒光分子是一樣的。雙(多)光子成像的優(yōu)點是具有更深的組織穿透深度，紅外光可以在平面上探測到極限為1mm的組織區(qū)域；因為信號背景比高，所以具有更高的對比度；由于激發(fā)體積小，具有定點激發(fā)、光毒性小的特點；激發(fā)波長由紫外、可見光調(diào)整為紅外激發(fā)，更加安全。雙光子顯微鏡為什么穿透能力強?

    細胞內(nèi)鈣離子作為重要的信號分子其作用具有時間性和空間性。當個細胞興奮時，產(chǎn)生了一個電沖動，此時，細胞外的鈣離子流入該細胞內(nèi)，促使該細胞分泌神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)與相鄰的下一級神經(jīng)細胞膜上的蛋白分子結合，促使這一級神經(jīng)細胞產(chǎn)生新的電沖動。以此類推，神經(jīng)信號便一級一級地傳遞下去，從而構成復雜的信號體系，終形成學習、記憶等大腦的高級功能。在哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子同樣扮演著重要的信號分子的角色。靜息狀態(tài)下大部分神經(jīng)元細胞內(nèi)鈣離子濃度約為50-100nM，而細胞興奮時鈣離子濃度能瞬間上升10-100倍，增加的鈣離子對于突觸囊泡胞吐釋放神經(jīng)遞質(zhì)的過程必不可少。眾所周知，只有游離鈣才具有生物學活性，而細胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度由鈣離子的內(nèi)外流平衡所決定，同時也受鈣結合蛋白的影響。細胞外鈣離子內(nèi)流的方式有很多種，其中包括電壓門控鈣離子通道、離子型谷氨酰胺受體、煙堿型膽堿能受體（nAChR）和瞬時受體電位C型通道（TRPC）等。神經(jīng)元鈣成像的原理就是利用特殊的熒光染料或鈣離子指示劑將神經(jīng)元中鈣離子濃度的變化通過熒光強度表現(xiàn)出來，以反映神經(jīng)元活性。該方法可以同時觀察多個功能或位置相關的腦細胞。 雙光子顯微鏡還可以對一些具有特性的染料細胞進行實驗，還有一些短波長可以利用雙光子特性進行特定實驗。國外ultima2PPLUS雙光子顯微鏡商家電話

于雙光子激發(fā)需要兩個光子同時到達，因此只有在焦點附近的樣品區(qū)域才會激發(fā)，從而實現(xiàn)三維成像和高分辨率。激光熒光雙光子顯微鏡圖像對比度

雙光子顯微鏡是激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術相結合的新技術。雙光子激發(fā)的基本原理是:在光子密度較高的情況下，熒光分子可以同時吸收兩個波長較長的光子，經(jīng)過短暫的所謂激發(fā)態(tài)壽命后，發(fā)射一個波長較短的光子；效果和用波長為長波長一半的光子激發(fā)熒光分子是一樣的。雙(多)光子成像的優(yōu)點是具有更深的組織穿透深度，紅外光可以在平面上探測到極限為1mm的組織區(qū)域；因為信號背景比高，所以具有更高的對比度；由于激發(fā)體積小，具有定點激發(fā)、光毒性小的特點；激發(fā)波長由紫外、可見光調(diào)整為紅外激發(fā)，更加安全。激光熒光雙光子顯微鏡圖像對比度