新型染色剂降低双光子显微术的成本

一种基于染色剂的成像技术-双光子显微术可以获得比功能性磁共振成像技术(FMRI)分辨率更高的图像,但是该技术需要使用昂贵的高强度的激光。最近,宾夕法尼亚州立大学的研究小组发明了一种新的染色剂,可以将双光子显微术的成本大幅度地降低。

双光子显微术要使用一束很强的激光,通过聚焦将光子射入活体的组织中。一对红外光子同一个染色剂分子撞击所叠加的能量使得染色剂分子发出可见的萤光。将聚焦的激光束在一个三维的空间中扫描,染色剂所发出的萤光就可以显示出样品的三维结构细节,甚至包括大脑中的毛细血管以及单个的细胞。进一步讲,如果使用对某些特定的生物化学过程(例如,钠离子的移动导致神经元的变化)敏感的染色剂,我们甚至可以进行功能性的成像:即可以观测思考时神经活动的变化。

“这是唯一可以深入地观察大脑内单个细胞甚至亚细胞结构的显微技术”论文的作者Vinogradov教授介绍说,“FMRI只能给出大面积区域的信息,细节上就比较差一些。而许多我们感兴趣的问题所发生的区域距离非常接近。”

该技术的缺点就是目前的染色剂需要很强的激光才能得到高质量的图像。研究人员必须要使用飞秒激光-每秒发射1000^5光子对。而这样的激光非常昂贵,所以限制了双光子显微术的应用。

解决这个问题的一种方法就是使用某种更容易被激发出萤光的染色剂。在该研究领域,镧系元素的纳米颗粒受到了广泛的关注。

“这些纳米颗粒的激发性能要比目前的分子染色剂高出一百万到一千万倍。也就是说,激发这些纳米颗粒,只需要成本约200$而不是200000$的激光源。“Vinogradov教授说。

但是我们如何能够将这些镧系元素的纳米颗粒置入所研究的组织中呢?由于这些纳米颗粒不能溶于水,所以无法从血管注入。否则会在血管中沉积,形成血栓。其他的一些研究组试图通过将纳米颗粒包裹在亲水或者水溶性的高分子材料中,来提高其水溶性。

这些高分子大多是一些链状结构,头部与纳米颗粒结合,尾端连接水分子。在理论上,这个途径可以很好地解决纳米颗粒在血液中的输运。但实际上,由于高分子链仅头部可以与纳米颗粒发生作用,所以该结合相对较弱,很容易断裂。在分子链上添加更多的结合位可能会解决这个问题,但又会带来其他的麻烦。

“那样的链会像胶水一样将纳米颗粒包裹起来,但几乎不会剩下多少亲水端同溶剂相作用。这样对提高其水溶性帮助并不大。”Vinogradov教授解释道。

Vinogradov教授和同事们采用了一种新的方法来解决这一难题。他们制备了树枝状的高分子:这种高分子由一个核和多个连接在核上的分支组成,整体呈球形。

”想象有一个网球,你把它粘在一面尼龙搭扣的墙面上。因为它是球形,所以会有很大一部分的表面并没有起到粘合的作用。而我们将纳米颗粒的整个表面都用亲水的小球包裹起来。这是非常简单的几何概念。”Vinogradov教授进一步解释说。

研究人员利用老鼠测试了新型染色剂的效率。他们将首先使用传统的染色剂,利用飞秒激光对老鼠脑部切片的脉管系统进行了成像(插图上)。然后他们将激光的强度降低了一百万倍,发现无法激发萤光。最后,他们使用枝状分子包裹的纳米颗粒,在同样强度的激光下,得到了与第一次实验类似的成像(插图下)。

这是首次将镧系纳米颗粒用于神经成像,也是首次利用低成本的激光实现的双光子活体显微成像。

来源:宾夕法尼亚州立大学