超高速光学影像技术解析早期病毒感染细胞的过程

尽管生物医学技术日新月异，病毒感染所引起的许多疾病，仍然造成人类伤亡以及巨大的经济损失。此外，病毒也可用来制备对抗许多疾病的疫苗载体，了解病毒如何感染细胞，对发展基因载体和疫苗来说非常重要。病毒感染是个非常复杂的过程。透过生化以及分子生物学的研究方法，人类已经累积了许多关于病毒感染的知识。结合荧光显微技术，人类也能够窥探单一病毒进入细胞的过程和途径。成功的病毒感染需要病毒和细胞膜内分子动态的交互作用，由于病毒和细胞膜分子的尺寸十分微小，科学家对于病毒颗粒与细胞膜上的受体如何交互作用，乃至促成病毒入侵这个问题，仍然缺少具有合适时间及空间分辨率的研究手段。

台湾中央研究院的谢佳龙（点击查看介绍）研究团队，近年来成功发展了适合研究病毒入侵活体细胞的超高速光学显微影像技术，在超高速下观察到单一病毒粒子与细胞膜中受体的高速动态交互作用。该显微技术是利用干涉的方法检测病毒粒子本身的散射光讯号。相比于广泛使用的荧光技术，散射信号的稳定性高，更适合高速、高准确度、长时间的观察。此技术不需要使用任何标记，因此能够避免标记物可能造成的干扰。借助这一手段，研究人员可以观察到病毒最真实的感染行为。以往科学家未能利用散射信号研究病毒感染，主要是因为病毒的体积微小，因此散射信号微弱，加上活细胞实验中细胞样品的背景散射，让检测变得更加困难。为了克服这些困难，该团队开发了两项关键技术，第一是采用干涉的方法检测散射信号，大幅度增加了检测的灵敏度。第二是开发图像处理与分析技术，能够将不断移动的病毒与相对静态的细胞背景分开，得到零背景的超清晰病毒影像。

通过以上的方法，该团队成功地实现了在超高速下（每秒十万张影像），直接观察牛痘病毒与活体细胞膜的交互作用。从技术层面上讲，该实验首次在没有标记病毒的情况下，于活体细胞环境中完成了单一病毒运动的检测与跟踪。测量结果同时具有超高的空间准确度，三维准确度均小于3 nm。该团队进一步利用微注射技术，将病毒局部释放到显微观察区域，借助这一手段记录病毒感染细胞膜的连续过程。基于超高时间空间分辨率的观察，他们首次揭示了病毒与细胞接触初期的动态行为：病毒在与细胞膜接触的一秒钟内便定域在约数百纳米的直径范围。出乎意料的是，在该定域范围内，病毒以非常快速的扩散运动探索细胞膜，并且不间断地在许多只有数十纳米大的区域中短暂停留。这些纳米大小的短暂停留，很可能是病毒与细胞膜受体交互作用的结果，以上研究发表于ACS Nano 上，目前该研究仍在积极进行中。

台湾中央研究院所开发的超高速同调式亮场光学显微镜(Coherent brightfield microscopy, COBRI microscopy)。

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超高速光學影像技術解析早期病毒感染細胞的過程

儘管生物醫學技術日新月異，病毒感染所引起的許多疾病，仍然造成人類傷亡以及巨大的經濟損失。此外，病毒也可用來製備對抗許多疾病的疫苗載體，瞭解病毒如何感染細胞，對發展基因載體和疫苗來說非常重要。病毒感染是個非常複雜的過程。透過生化以及分子生物學的研究方法，人類已經累積了許多關於病毒感染的知識。結合螢光顯微技術，人類也能夠窺探單一病毒進入細胞的過程和途徑。成功的病毒感染需要病毒和細胞膜內分子動態的交互作用，由於病毒和細胞膜分子的尺寸十分微小，科學家對於病毒顆粒與細胞膜上的受體如何交互作用，乃至促成病毒入侵這個問題，仍然缺少具有合適時間及空間解析度的研究手段。

臺灣中央研究院的謝佳龍研究團隊，近年來成功發展了適合研究病毒入侵活體細胞的超高速光學顯微影像技術，在超高速下觀察到單一病毒粒子與細胞膜中受體的高速動態交互作用。該顯微技術是利用干涉的方法檢測病毒粒子本身的散射光訊號。相比於廣泛使用的螢光技術，散射信號的穩定性高，更適合高速、高準確度、長時間的觀察。此技術不需要使用任何標記，因此能夠避免標記物可能造成的干擾。借助這一手段，研究人員可以觀察到病毒最真實的感染行為。以往科學家未能利用散射信號研究病毒感染，主要是因為病毒的體積微小，因此散射信號微弱，加上活細胞實驗中細胞樣品的背景散射，讓檢測變得更加困難。為了克服這些困難，該團隊開發了兩項關鍵技術，第一是採用干涉的方法檢測散射信號，大幅度增加了檢測的靈敏度。第二是開發影像處理與分析技術，能夠將不斷移動的病毒與相對靜態的細胞背景分開，得到零背景的超清晰病毒影像。

通過以上的方法，該團隊成功地實現了在超高速下（每秒十萬張影像），直接觀察牛痘病毒與活體細胞膜的交互作用。從技術層面上講，該實驗首次在沒有標記病毒的情況下，於活體細胞環境中完成了單一病毒運動的檢測與跟蹤。測量結果同時具有超高的空間準確度，三維準確度均小於3 nm。該團隊進一步利用微注射技術，將病毒局部釋放到顯微觀察區域，借助這一手段記錄病毒感染細胞膜的連續過程。基於超高時間空間解析度的觀察，他們首次揭示了病毒與細胞接觸初期的動態行為：病毒在與細胞膜接觸的一秒鐘內便定域在約數百納米的直徑範圍。出乎意料的是，在該定域範圍內，病毒以非常快速的擴散運動探索細胞膜，並且不間斷地在許多只有數十納米大的區域中短暫停留。這些納米大小的短暫停留，很可能是病毒與細胞膜受體交互作用的結果，以上研究發表於ACS Nano 上，目前該研究仍在積極進行中。

臺灣中央研究院所開發的超高速同調式亮場光學顯微鏡(Coherent brightfield microscopy, COBRI microscopy)。

该论文作者为：Yi-Fan Huang, Guan-Yu Zhuo, Chun-Yu Chou, Cheng-Hao Lin, Wen Chang, Chia-Lung Hsieh

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells

ACS Nano, 2017, 11, 2575-2585, DOI: 10.1021/acsnano.6b05601

谢佳龙博士简介

谢佳龙博士在Demetri Psaltis教授的指导下，于2011年取得加州理工学院电机博士学位，2011年至2012年于德国Max Planck Institute for the Science of Light的Vahid Sandoghdar教授实验室进行博士后研究，于2012年12月起就职于台湾的中央研究院原子与分子科学研究所，成立纳米生物光学实验室，研究方向为新颖的光学显微技术及纳米尺度的生物物理现象。

谢佳龙

http://www.x-mol.com/university/faculty/40469

纳米生物光学实验室

http://www.iams.sinica.edu.tw/personal/clhsieh/pages/research

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