基于智能化控制的高效活细胞成像技术

为提升活细胞功能研究的效率与准确性,显微成像平台研发了1款智能化控制精准加样系统。自主研发的加样系统具备远程自动化控制功能,能实现精准的药物定时定点添加。经研究和测试,该系统展现出卓越的通用性,能与常见的光学成像设备搭载使用,并能满足从短期到长期活细胞功能研究的各种实验要求。在活细胞连续成像的过程中,采用智能化与精准化的控制方法,可显著提升实验的准确性、稳定性和效率,尤其是能确保关键数据的完整性。该研究工作有效促进了细胞功能等关键科研领域的深入探索,成功增强了多台光学成像仪器的测试能力和应用价值,同时也推动了创新人才的成长和高标准科研平台的搭建。

破骨细胞血系起源的活细胞成像观察

目的:采用活细胞成像技术,观察血系单核细胞诱导形成破骨细胞的全过程,旨在进一步阐明破骨细胞血系起源的发生及其细胞动力学。方法:取成年SPF级纯种雄性SD大鼠1只,体重280 g,腹主动脉采血8 ml,经密度梯度离心分离单个核细胞,在RANKL与M-CSF诱导下,分为倒置相差显微镜观察组、抗酒石酸酸性磷酸酶染色组、噬骨试验扫描电镜观察组、活细胞成像组4组进行培养。倒置相差显微镜观察组从培养开始,在数字显微成像系统下,每天观察记录1次;抗酒石酸酸性磷酸酶染色组培养21 d作酶活性染色鉴定;噬骨试验扫描电镜观察组培养21 d取出骨磨片作扫描电镜观察;活细胞成像组采用多点位缩时电影法对整个培养过程进行长达35 d的连续观察记录。结果:诱导培养2周后,倒置相差显微镜观察可见大量多核细胞形成,外形呈圆形、梭形、扇形、椭圆形及不规则突起状;抗酒石酸酸性磷酸酶染色绝大部分多核细胞与单核细胞均呈阳性反应;骨磨片扫描电镜观察可见较多骨吸收陷窝、坑洼及沟道,还有位于陷窝及沟道内正在行使骨吸收功能的破骨细胞;活细胞成像观察到起源于周围血的多核破骨细胞是由单核细胞、单核细胞与多核细胞及多核细胞之间相互融合而成,其细胞间的融合均发生在贴壁状态,显微缩时电影观察显示破骨细胞形态表现复杂多变。结论:大鼠周围血单核细胞在RANKL和M-CSF诱导下,可以向破骨细胞分化,形成具有骨吸收功能的多核破骨细胞。破骨细胞的形成是发生在贴壁状态下多种形式的细胞融合过程,破骨细胞的粘附特性对其存活及功能发挥至关重要。破骨细胞具有吞噬功能,其形态结构动态多变。破骨细胞不仅是一种多核细胞,还可能包括单核破骨细胞。破骨细胞通过融合形成多核巨细胞的特性,可能是其适应功能需求与骨吸收效率的一种特殊生物学行为。实验结果进一步证实了破骨细胞的血系起源学说,并为深入阐明破骨细胞的细胞动力学与细胞生物学特性提供了新的实验研究依据。

脉冲电磁场对大鼠成骨细胞增殖影响的活细胞成像观察研究

目的应用活细胞成像技术观察脉冲电磁场作用下大鼠成骨细胞的生长、增殖过程,探讨不同脉冲电磁场强度对大鼠成骨细胞生长、增殖的影响。方法首先采用MTT法检测在15Hz,0.1、0.3、0.5、1.0mT脉冲电磁场连续刺激下,4种脉冲电磁场强度组与对照组的成骨细胞存活与增殖能力,筛选出最佳的脉冲电磁场刺激强度。根据筛选结果,选用频率15Hz、强度0.1mT的脉冲电磁场,应用活细胞成像技术,以Time-Lapse方式,对脉冲电磁场刺激组与对照组成骨细胞的生长、增殖过程,作多点平行对照记录,动态观察两组成骨细胞的贴壁速率与分裂速率。并采用MTT法同步检测两组细胞的增殖情况。结果原代培养3d的成骨细胞,在15Hz脉冲电磁场中连续刺激3d,经MTT法检测,1.0mT组细胞几乎全部死亡,0.5mT组与对照组比较细胞增殖能力无明显差别,0.3、0.1mT组与对照组比较细胞增殖能力增强(P<0.05、P<0.01)。活细胞成像Time-Lapse平行对照记录,动态观察分析表明,15Hz、0.1mT脉冲电磁场组观察野的细胞贴壁速率与对照组比较无明显差别,分裂速率较对照组观察野增快(P<0.05),MTT法同步检测也证明0.1mT脉冲电磁场刺激组的细胞增殖能力较对照组增强。结论 15Hz、0.1mT脉冲电磁场对体外培养的大鼠成骨细胞增殖具有促进作用,但强度超过0.5mT的脉冲电磁场对成骨细胞增殖无明显促进作用,如果强度≥1mT反而会导致成骨细胞的死亡。

活细胞成像系统在创新实践课程教学中的应用

探索大型仪器设备活细胞成像系统用于生物技术专业创新实践课程的教学方式。以核转录因子κB信号通路知识点讲述为例,从专业知识、检测原理、实验设计、操作规程、实验结果等方面,系统阐述将活细胞成像系统引入创新实践课程的教学方案。课程教学与科学研究紧密联系,培养了学生的创新意识和实践能力。

新生大鼠培养海马神经元的双重转染和活细胞成像

目的建立新生大鼠海马神经元的双重转染和活细胞成像方法。方法出生24h内的SD大鼠海马神经元原代培养,接种后第5天双重转染表达绿色荧光蛋白的GFP-GluR1和红色荧光的DsRed,活细胞成像观察转染后细胞情况。结果转染48h后神经元基本稳定,发绿色荧光,胞体大呈多边,立体感强,突起长且连接密集;可以在不同时间点定位观察同一部位;双重转染GluR1-GFP和DsRed质粒48h后,可在倒置显微镜下观察到荧光,GluR1-GFP表达于树突,DsRed表达于树突棘。结论获得了稳定可行的神经元双重转染技术和长时程在不同时间点定位追踪观察培养神经元的成像方法。

超分辨显微成像技术在活细胞成像中的应用与发展

超分辨显微成像技术(super-resolution microscopy,SRM)可以绕过光学衍射极限对成像分辨率的限制,让以前观察不到的纳米级结构实现可视化,这一重大研究进展推动了现代生命科学和生物医学研究的进步与发展.细胞是生物体的基本组成单位,对活细胞内部的细微结构和动力学过程进行研究是掌握生命本质必不可少的途径.但由于成像原理或条件的限制,早期的SRM技术在活细胞成像应用方面受到了不同程度的限制.近几年来,随着SRM和相关技术的发展,SRM在活细胞成像研究中的应用也越来越多.本文简要介绍目前常见的几种SRM技术的基本原理和特点,并在此基础上着重阐述它们在活细胞成像应用中所取得的最新研究进展和发展方向.

活细胞成像技术实时追踪荧光蛋白标记的分枝杆菌的胞内增殖

目的 利用绿色荧光蛋白（green fluorescent protein,GFP）标记和活细胞显微成像的方法,实时追踪分枝杆菌在巨噬细胞内的增殖过程。方法 用经GFP标记的野生型海分枝杆菌（Mycobacterium marinum,Mm）分别侵染未激活和γ-干扰素激活的巨噬细胞,使用活细胞显微成像系统连续记录胞内分枝杆菌的增殖动态,同时优化不同细胞接种浓度和感染复数（multiplicity of infection,MOI）对胞内菌增殖动态的追踪效果。结果 使用GFP标记和活细胞成像的方法可以实时追踪胞内分枝杆菌的增殖过程和形态学变化。γ干扰素对Mm在巨噬细胞中的增殖有抑制作用。当接种巨噬细胞浓度为1×105/孔,MOI为1时,可直观清晰地分析实时追踪图像中胞内菌的增殖过程。结论 通过活细胞成像技术分析荧光蛋白标记的分枝杆菌,可实时追踪巨噬细胞内分枝杆菌增殖过程和形态学变化,是一种体外分析胞内分枝杆菌增殖的理想方法,可应用于其他相关病原菌和宿主相互作用及影响因素的研究。

一种基于荧光素的新型荧光探针用于快速检测次氯酸及在活细胞成像中的应用

作为生物系统中一种主要的活性氧（ROS）,次氯酸/次氯酸盐（HClO/ClO-）在免疫系统中扮演重要的角色,过量的次氯酸会引发很多疾病。因此,次氯酸的高灵敏检测对疾病早期预测具有重要意义。基于此,设计并合成了一种基于荧光素的新型荧光探针并用于检测次氯酸。结果表明,该探针能够快速、高灵敏地检测次氯酸,其检测限低至0.50μmol/L。同时,通过对活细胞成像的研究表明,该探针具有潜在的生物应用前景。

活细胞成像中的光学显微技术

自细胞结构的早期检查起,利用光学显微技术观察细胞一直使生物学家们入迷。荧光标记技术的出现,以及丰富的精密光学显微镜技术使得活细胞中动态过程的研究变得普遍。但是,对于不大了解这个领域的研究者,使用哪种技术或仪器会比较难以决定。这里,我们对活细胞成像的主要方法给出一个简单的回顾,并指出它们的优点和缺点。

苯乙烯类菁染料pH探针的合成与活细胞成像

合成了一个以苯乙烯类菁染料为母体的含胺类基团的pH荧光探针,合成方法简单,产物收率高,提纯方便.在乙醇-水体系中的性能测试结果表明,随着pH值的降低,其非质子化形态的吸收峰强度逐渐降低,而质子化形式的长波长吸收峰强度逐渐升高,长、短波长相差(Δλ)130 nm,颜色由黄色变成粉红色,利于可视观察;探针在氨基呈非质子化形式时没有荧光,氨基质子化后探针的荧光强度显著增强.活细胞实验表明,探针可以穿透细胞膜,在细胞质内pH值偏低区域显示红色荧光,可以用来定性探测酸性细胞器.

顺铂联合长春新碱对HCT-8/V肿瘤细胞耐药逆转的实时动态活细胞成像研究

目的:探讨顺铂(DDP)联合长春新碱(VCR)对人结直肠腺癌耐长春新碱细胞(HCT-8/V)增殖、凋亡与自噬的影响。方法:以RT-LCI高内涵技术平台,连续观察120 HCT-8/V细胞的生长规律及连续70 h观察细胞凋亡与自噬。结果:DDP对HCT-8/V有抑制作用,但无剂量依赖关系; VCR对HCT-8/V抑制作用与药物浓度梯度呈正比; DDP、VCR对细胞凋亡的影响没有差异; DDP、VCR单独及联合应用可抑制HCT-8/V自噬。结论:DDP联合VCR应用通过抑制HCT-8/V细胞的增殖与自噬实现耐药性逆转。

CRISPR/Cas9系统活细胞成像技术进展(特邀)

CRISPR/Cas9系统因其高效、操作简便、物种适应性广等优势被广泛应用于基因编辑领域,该系统是由靶向目标DNA序列的引导RNA(sgRNA)和具有切割酶活性的Cas9蛋白组成。近年来,通过将核酸酶失活的Cas9突变体dCas9(dead Cas9)或sgRNA与荧光蛋白(FPs)、有机染料、量子点(QDs)结合开发出一系列超分辨活细胞成像技术,该技术有助于在更高分辨率下研究不同基因、染色体以及基因与染色体之间的时空关系,对促进遗传学、细胞生物学和生物医学等领域的快速发展具有重要意义。文中主要总结基于CRISPR/Cas9系统的活细胞成像技术的最新进展,有望进一步扩大活细胞成像技术在生物医学领域的广泛应用。

活细胞成像系统中两种新图像传感器及其应用

捕捉细胞内分子活动发生的动态过程,从细胞分裂到囊泡运输再到胞内钙离子浓度变化等大量快速发生和发展的生理过程是很多科研工作者的需要。这个过程不仅要求较高的时间分辨率,还要求较低的激发光强度以使样品的淬灭和光损伤达到最小。因此,相机的高灵敏度图像传感器起到了决定作用。鉴于近几年图像传感器发展迅速,本文对其进行了系统的阐述,综述了相机的图像传感器技术上的最新突破和改进。进而,总结了其在活细胞成像中的应用,对比了两种主流传感器并展望了未来发展趋势。

活细胞成像技术在生殖医学研究中的应用

生殖医学是一门临床综合性学科,涉及临床医学、基础医学、细胞生物学、分子生物学、遗传学等多个学科。随着社会的迅速发展、生育年龄推迟和国家"二孩政策"的全面放开,各种疾病导致的生育功能低下和生育质量下降目前已成为生殖领域的突出问题,但是大部分不孕不育相关疾病病因不明。生殖医学研究人才的匮乏,严重限制了生殖医学研究的进展。活细胞成像技术可以模拟活细胞的生存环境,维持活细胞长时间的生长繁殖和追踪观察,在生殖医学研究中所占比例越来越重,对研究不孕不育相关疾病的病因提供了强有力的支持。现根据近年来对研究生和本科生进行的生殖医学基础实验带教工作,本文主要总结分析活细胞成像技术在生殖医学研究中的应用。

活细胞成像

活细胞成像又叫作生物成像或者录像显微镜。其特征在于研究手段和测定对象。手段是显微镜或者照相机等成像器材，对象是活细胞的活动。根据测定对象的不同，或者是器官中（in vivo），或者是培养细胞，或者是细胞中部分的细胞器、蛋白质．分别叫作生物体水平、细胞水平、分子水平。

北大研究团队开发活细胞成像新技术

北京大学生命科学院生物动态光学成像中心、工学院黄岩谊课题组与化学学院陈兴课题组合作开发了一种全新的活细胞成像技术,利用炔基标记手段并巧妙应用受激拉曼显微成像技术,成功实现了对活细胞的脂类、核酸、蛋白质和糖类等关键生物分子的特异性、低干扰的三维成像,突破了成像标记基团的尺寸极限。

活细胞成像技术研究2,5-己二酮对中分子量神经丝运输的影响

目的用活细胞成像技术研究2,5-己二酮对中分子量神经丝蛋白(NF-M)在体外培养的背根神经节神经元轴突中的运输的影响。方法转染pPA-GFP-NFM质粒的背根神经节神经元体外培养,给予2,5-己二酮作用24 h后,荧光显微镜下定量观察GFP-NFM的转运量。结果给药4、8和16 mmol/L 2,5-HD组,NF-M在轴突中被转运的量分别为28.5±11.6%(P<0.05)、22.6±9.2%(P<0.01)和18.5±8.6%(P<0.01),而空白对照组中NF-M被转运的量为35.6±11.0%。结论 2,5-己二酮降低了NF-M的轴浆运输速率,这可能是2,5-己二酮引起中毒性周围神经病的致病机制之一。

EBV-LMP2重组腺病毒疫苗体外抗肿瘤免疫效果的活细胞成像研究

鼻咽癌(Nasopharyngeal carcinoma,NPC)与EB病毒(Epstein-Barr virus,EBV)感染密切相关。鼻咽癌细胞中表达的EB病毒潜伏膜蛋白2(Latent membrane protein 2,LMP2)是免疫疗法的理想靶抗原。靶向EBV-LMP2疫苗已被证明是安全有效的,可在NPC患者体内增强特异性细胞毒性T淋巴细胞(Cytotoxic T lymphocyte,CTL)应答。目前面临的挑战是如何提高NPC患者的临床反应率,其关键在于阐明LMP2特异性CTL的细胞毒性。为研究rAd-LMP2疫苗诱导的LMP2A特异性CTL对肿瘤细胞的杀伤效果,本研究利用rMVA-LMP2-GFP感染P815细胞(H-2d)构建表达EBV-LMP2A和GFP蛋白的P815-LMP2-GFP靶细胞,用rAd-LMP2疫苗免疫BALB/c小鼠(H-2d)来诱生LMP2A特异性的CTL细胞作为效应细胞。然后,应用活细胞成像技术观察LMP2A特异性CTL对P815-LMP2-GFP靶细胞的杀伤过程。结果显示成功构建了P815-LMP2-GFP靶细胞和LMP2A特异性CTL效应细胞,并以成像的方式实时动态记录了LMP2A特异性CTL识别并杀死靶细胞的过程。P815-LMP2-GFP靶细胞可在2h内被LMP2A特异性CTL识别并杀伤。本研究建立了一种直接监测LMP2A特异性CTL识别并杀伤靶细胞过程的动态可视化方法。因此,本研究为肿瘤疫苗的体外抗肿瘤免疫效果的研究提供了新手段和新思路。

一锅法高效制备橙色荧光氧化石墨烯量子点及其在细胞pH成像中的应用

以价廉、易得的石墨片为原料,采用改进的Hummers法,简单、快速、高效地制备了具有良好生物相容性的橙色荧光氧化石墨烯量子点(GOQDs)。所制备的GOQDs尺寸约7.2 nm,具有尺寸均匀、晶格间距为0.20 nm的高度结晶的核心和氧化的外围结构。与大多数报道的碳点(CDs)、包裹掺杂碳点(掺杂CDs)、石墨烯量子点(QDS)和GOQDs不同,我们的方法制备的GOQDs显示出橙红色并具有激发波长独立的荧光发射。此外,GOQDs具有pH依赖性荧光发射、强的光漂白抗性、低细胞毒性、良好的水溶性(ρ=10 mg·mL^(-1))和优异的生物相容性。这些特性使其成功应用于细胞pH成像。