使用高壓冷凍技術的光電關聯顯微鏡

近年來，光學顯微鏡研究以活細胞成像為主導，而電子顯微鏡則被用于高分辨率研究。后來，人們逐漸有意將這兩種技術結合起來。整合之后的成果叫做光電關聯顯微鏡（CLEM）。電子顯微鏡提供的高分辨率使樣本制備過程中的人工產物同樣清晰可見。新版Leica EM ICE是一款帶有快速傳輸系統的高壓冷凍儀，允許光鏡電鏡相關實驗，能夠完好保存超微結構，避免出現此類人工產物。

20世紀90年代出現的綠色熒光蛋白（GFP）激發了人們此后對活細胞成像研究的濃厚興趣。而顯微鏡上配備的更快捷、更靈敏的檢測裝置則讓這種研究興趣愈發濃厚。生命科學從這些活細胞成像研究中獲取了大量的研究成果，很難想象要是沒有這些用具，生命科學將走向何種地步。

電子顯微鏡領域并未完全緊跟光學顯微鏡掀起的研究熱潮，但近年來有跡象表明光學顯微鏡的分辨率有時給人們解答科學疑問帶來了局限性。因此，人們愈發有意開發能將綠色熒光蛋白的活細胞成像功能和電鏡的高分辨率有效結合的新技術（見圖1）。綠色熒光蛋白在電鏡（電子顯微鏡）中并非直接可見，但可以通過抗體或光轉化顯現。

但這類方法只能用于在室溫下化學固定的樣本。有明確記錄表明這種做法會引入人工產物。這些人工產物在光鏡（光學顯微鏡）下不可見，原因可能是缺少固定劑（實時），或者在研究固定樣本時人工產物不在光鏡的分辨率范圍內。

然而人工產物在電鏡下則顯而易見，這種成像能力正是我們在研究超微結構時需要的高分辨率和精確細節。另外一種依靠物理固定的方法叫做冷凍固定。這種方法能更快固定細胞，并且和化學固定不同，這種方法并非選擇性固定。高壓冷凍（HPF）如今是冷凍固定細胞和組織最可靠的方法。將樣本置于高壓下（2,000bar），數毫秒后在樣品上噴灑液氮。這樣做能避免冰晶形成和擴散，并立即固定樣本，形成厚度可達200至300微米保存完好的玻璃化樣本。

圖1：某CLEM實驗圖解模型在現代CLEM實驗中，首先將樣本（綠色細胞）置于光學顯微鏡下實時研究?？梢愿櫽^察細胞內結構（按箭頭）。當出現有意思的現象時，將樣本固定，并進行電子顯微鏡觀察處理。將同一個細胞置于電子顯微鏡下追溯（灰色圖像），便可在高分辨率下研究感興趣的細胞結構和現象。

具備高時間分辨率的高壓冷凍技術

圖2：Leica EM PACT2左（新版Leica EM ICE右） 高壓冷凍儀適用于標準高壓冷凍和光鏡/電鏡關聯實驗。操作非常簡便：只需插入快速樣品托，剩下的就交給儀器搞定。

高壓冷凍設備最初并非是為這些類型的實驗設計的，主要的限制在于在光鏡下研究樣本、發現特殊的稀有現象并將樣本轉移到高壓冷凍設備進行固定這一過程所需的時間。對一名老練的技術員來說，這一過程至少需要30秒以上。到那時，想要觀察的結構可能早已發生變化或者消失（見圖1）。

于是，徠卡顯微系統聯手來自英國布里斯托沃克大學醫學院的Paul Verkade博士著手開發一種能夠進行光鏡/電鏡關聯實驗，同時支持高壓冷凍技術且時間分辨率少于5秒的儀器。這項開發成果便是Leica EM PACT2 /新版Leica EM ICE（見圖2）。該儀器可自由移動，能移動到任何光學顯微鏡所在位置。RTS指的是快速傳輸系統該系統由快速樣品托和傳輸系統本體組成，快速裝載機用于裝載樣品（見圖3），傳輸系統本體則固定在高壓冷凍設備上。待快速樣品托插入快速傳輸系統后，樣本被自動圍住，并沿軌道快速傳送至內部進行冷凍。這個過程僅需2.4秒。這讓科學家有足夠時間將快速樣品托從光學顯微鏡下取出并放入快速傳輸系統。這一動作可在1至1.5秒內輕松完成，繼而將時間分辨率總體維持在4-5秒左右。然后便可對冷凍樣品做電子顯微鏡觀察處理。

冷凍替換標準

多數情況下，這一過程會涉及冷凍替換。冷凍替換是指清除樣品中的冷凍水和丙酮等溶劑，然后在低溫下進行樹脂滲透和聚合。為此，徠卡顯微系統近期推出了配備EM FSP的Leica EM AFS2，它能自動替換所有冷凍替代化學物，簡化科學家的工作。圖3是該實驗示例。表皮生長因子（EGF）與量子點偶聯。量子點能產生熒光且電子密度高，是光鏡/電鏡關聯研究中非常好用的標記。表皮生長因子內化30分鐘后出現在多泡體（MVB）中。多泡體以動態結構出現，具有許多延伸部分并隨時間顯現和消失（見圖3c）。

圖3：使用高壓冷凍進行光鏡/電鏡關聯實驗，先在光學顯微鏡下研究感興趣的細胞。在該細胞的DIC圖像上覆上紅色熒光量子點（見圖3a）。將感興趣的結構包裹并實時跟蹤觀察。拍攝熒光圖像，顯示最 后10秒序列（見圖3c）。在0秒時，取出快速樣品托放入快速傳輸系統。對該細胞進行冷凍和處理后，對其進行追溯（比較圖3a和3b）。

當觀察到另一延伸部分出現時，取走樣本并立即進行冷凍。對該細胞進行追溯便可在高分辨率下看見感興趣的結構，發現關聯?？傊?，Leica EM PACT2或者新版Leica EM ICE搭配徠卡顯微顯微鏡為生命科學家提供了優秀的解決方案，既豐富了他們的研究手段又有助于擴展他們的學識。