作者：席鹏（北京年夜学将来技能学院传授）

细胞是生命的基本单元，内部布局繁杂而周详。每个细胞都像一座微型都会，拥有“发电厂”（线粒体）“物流中央”（高尔基体）“垃圾处置惩罚站”（溶酶体）“信息高速公路”（内质网）等多种细胞器。这些细胞器各司其职，又紧密亲密协作，如同奏响生命的交响乐一般，于时空上紧密亲密共同，配合维持着生命的运转。然而，要同时看清这些细胞器的布局及动态，一直是科学家面对的巨年夜挑战。最近几年来，跟着超分辩成像技能及人工智能的飞速成长，北京年夜学的科研团队与互助者结合开发出一种全新的“高维超分辩成像”技能，乐成实现了对于活细胞内15种细胞器的同时成像与精准辨认，为细胞生物学研究打开了一扇全新的年夜门。

“高维超分辩成像”技能。作者供图

从“看不到”到“看获得”

细胞器种类繁多，个头又很小。有多小呢？一个细胞的直径于10微米摆布，只有一根头发丝直径的约1/10。于云云狭窄的空间内，细胞将多种差别的细胞器慎密而有序地构造起来，举行着繁杂而繁忙的信息与物资通报，形成为了一个功效完整的微不雅世界。这些细胞器的尺寸往往于几十到几百纳米之间，且彼此慎密摆列。

以咱们认识的涮羊肉为例，一片羊肉片的厚度约莫2～3毫米，是细胞尺寸的200～300倍。假如咱们有“厨子解牛”的武艺，可以或许将这片羊肉片连续切出200片，那末就获得一个细胞厚度的样品。可以想象，这片“薄如蝉翼”的肉将是高度透明的。样品越薄，其吸光度越低，总体出现指数衰减——这就是闻名的比尔定律。也正是以，于高度透明的细胞中，每一个细胞器就更薄、更透明，也越发难以不雅察到。

为了应答透明的细胞，一个很是简朴的要领就是给所要不雅察的细胞或者细胞器染色——也就是让差别的细胞或者者细胞器接收差别的染料，从而变患上更易看到。这类要领的学名叫“病理染色”。直到现代，医疗中也仍于广泛运用这类要领，甚至成为临床鉴定肿瘤良恶性的“金尺度”。经由过程用苏木素-伊红两种染料对于10微米摆布厚度的构造切片举行染色，咱们可以于显微镜下看到细胞核出现深蓝玄色，肌肉构造及细胞出现差别水平的粉红色，从而可以或许快速判定多种疾病。

可是，当咱们举行活细胞不雅察时，这个要领就有些力有未逮了：活细胞往往只能接收极低浓度的染料，染料浓度一增长，就足以影响细胞正常功效，甚至将细胞毒死。

那末，有无甚么措施，让咱们用极低浓度的染料，就可以“点亮”细胞器呢？

为了实现这一点，科学家想到，假如让接收染料的细胞器自动发光，是否是就能像口岸的灯塔那样，纵然发出的光很是微弱，但因为配景是玄色的，也能被敏捷地捕获到。这就是今朝生命科学研究中经常使用的荧光成像技能：咱们经由过程开发专门辨认某一类细胞器的荧光染料，让这类细胞器“发光”，从而研究它的形态与功效。

从“看不清”到“看患上清”

再来讲说，用甚么“看”细胞。固然是显微镜。

可是，传统的光学显微镜受限在光的衍射极限，只能看到约200纳米以上的布局，约莫是可见光波长的1/2。

电子显微镜能看患上更清晰。电子具备质量，其物资波波长极短，是以具备很是高的分辩率。但电子显微镜看不了“活”细胞——当咱们将细胞放于电镜下，用电子对于其举行轰击前，起首需要抽真空，经由过程高真空情况让电子可以或许顺遂地达到细胞。而活细胞含水富厚，于真空中会迅速脱水灭亡。同时，高能电子束的能量到达几百电子伏特，会直接电离生物份子，造成不成逆毁伤。此外，于电子显微镜成像前，样品必需颠末固定、脱水、重金属染色等繁杂步调，完全粉碎细胞活性。

为了既获得高清楚、高分辩率的图象，又连结细胞活性，还有要可以或许看到特定的细胞器，科学家又将眼光从头投向光学显微镜。

经由过程差别的物理道理，科学家开发了多种超分辩成像技能，如布局光照较着微镜（SIM）、受引发射损耗显微镜（STED）及单份子定位显微镜（PALM/STORM）等。这些技能经由过程差别的物理机制，冲破了光学衍射极限，使患上分辩率晋升至几十纳米甚至更高。这一技能也于2014年得到了诺贝尔化学奖。

从“看患上清”到“看患上多”“看患上准”“看患上深”

荧光成像技能经由过程特异性染色标志，可以或许对于差别的细胞器举行标志，这时候，只需要准确区别这些标志，咱们就可以对于其举行成像。好比，让微丝、微管、细胞核别离发出红绿蓝三色，就能区别它们，从而拍摄其形态与彼此作用。

这个要领很快碰到一个问题：细胞里有30多种细胞器，假如采用特异性荧光染色，因为每一种荧光的光谱很宽，会彼此有串扰（旌旗灯号混叠），是以没法对于4种以上的细胞器举行正确区别。

为相识决串扰问题，科学家采纳了两种计谋：一是哥伦比亚年夜学传授闵伟使用一些光谱极窄的拉曼染料，实现了多种细胞器的标志与成像；二是诺奖患上主Eric Betzig于探测器上下功夫，经由过程探测器的光谱im电竞入口探测，让混叠于一路的荧光旌旗灯号可以或许被正确区别开来，从而实现了6种细胞器的成像。

然而，这两种方案也有各自的不足：拉曼染料一次只能存眷一个通道，致使多细胞器成像需要的时间很是长，不合适研究多细胞器同时互作；而光谱解耦的探测器方式需要将光分到差别的探测通道，造成光子使用率低，能区别的细胞器少。

那末，怎样能“看患上多”呢？

为了实现对于多种细胞器的同时成像，研究团队另辟蹊径：假定有一种染料，它可以进入研究者所有感兴致的细胞器；进去后，它本身可以判定进入了甚么“房间”，按照细胞器的特征实现变色。如许，它就能发出五颜六色的光，研究者可以经由过程区分这些颜色，来实现对于多种细胞器的同时成像。

为了实现这一天马行空的设法，咱们偶尔地找到了一种染料“中等生”——尼罗红。它是一种通用的脂溶性染料，很是平凡，各人于研究有膜细胞器的时辰，往往会想到它。这类染料可以标志细胞内所有的膜布局，像线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体、脂滴等。但它的特异性不强，没法让人正确分辩，用它拍出来的图象往往是迷迷糊糊一年夜片。

但对于尼罗红的深切研究发明，它有一些很是尤其的性子：尼罗红的发光特征会跟着其所处情况的极性及脂质相态而变化。例如，于极性较高的膜情况中，尼罗红的发光会红移；而于非极性情况中则会蓝移，从而陈诉细胞器的化学“极性”。此外，尼罗红的荧光偏振特征也会因脂质膜的有序水平而发生变化：当细胞器中含有更多甘油磷脂时，尼罗红对于偏振调制出现了高速随机的份子动弹，没法不雅察到偏振相应；而细胞器中摆列致密的鞘磷脂与胆固醇，则可以或许限定其动弹，让咱们看到偏振相应，从而陈诉细胞器的物理“序性”。

为相识决尼罗红照相“迷迷糊糊”的问题，咱们联合荧光布局光超分辩显微技能，实现了清楚的细胞器成像。接下来，使用它的上述特征，咱们团队开发出一种名为“光谱偏振光学断层成像”（SPOT）的新技能。SPOT技能经由过程同时捕获尼罗红的发光强度、光谱及偏振信息，构建出细胞器的“光学指纹”，实现了对于细胞器形态、极性及相态的多维度解析。

那末，怎样能“看患上准”呢？

咱们引入了深度进修技能，进一步构建了一种名为Attention U-Net的神经收集模子，使用每一种细胞器特异性荧光标志的图象作为练习数据，一一教会AI怎样按照尼罗红的“光学指纹”辨认差别的细胞器。

颠末练习，AI模子可以精准地域分出15种细胞器布局，包括线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体、脂滴、核膜、细胞伪足等。

更欣喜的是，这类AI模子具备强盛的迁徙进修能力，可以或许于差别细胞系、差别显微镜平台，甚至活体构造中连结高正确率，揭示出极强的通用性及实用性。

咱们更解决了“看患上深”难题——SPOT技能仅需单一染料染色，联合超分辩成像与AI阐发，便可于活体构造中实现多细胞器成像。研究团队乐成实现了于差别细胞有丝破裂周期、果蝇幼虫精巢等生物样品中的活细胞多细胞器超分辩动态互作收集解析。这一冲破为研究活体构造中的细胞器功效、发育历程及疾病机制，提供了一种全新的研究范式及东西。

诺奖患上主Eric Betzig传授如许评价：“（这一发现）从寥寥几个光谱差别的标志物中分类及量化数十种膜布局的性子，从而解决了活细胞荧光显微镜的重要局限之一。”

这项研究的意义，更于在它为生命科学研究斥地了全新的维度，不仅让咱们瞥见了生命的细节，更理解了生命的素质。经由过程持久、及时、高分辩率地不雅察细胞器的动态变化，科学家可以更深切地舆解细胞破裂、代谢、旌旗灯号传导等基本生命历程。此外，该技能还有可用在药物筛选、疾病诊断、再生医学等范畴。例如，经由过程不雅察药物对于细胞器的影响，可以快速评估药效及毒性；经由过程比力康健与病变细胞的细胞器差异，可以寻觅新的疾病标记物。

将来，跟着技能的不停完美及运用的拓展，咱们有理由信赖，人类将于这场“瞥见生命”的伟年夜征程中，走患上更远，看患上更清。

《光亮日报》（2025年09月11日 16版）