徕卡超高分辨显微技术-病毒学相关研究应用（一）

分析测试百科网 > 行业资讯 > 技术原理

徕卡超高分辨显微技术-病毒学相关研究应用（一）

2021.2.22

引言
2020年注定是不平凡的一年，也将是载入史册的一年。一个不太热门的研究，一下子进入了公众视野，给我们上了一堂沉重的课。那么如何有效防范病毒传播，如何进行专业防控和疫苗研发，这都需要对病毒基本特征和机理深入研究。

然而，由于受到光学衍射极限的限制，普通光学显微镜分辨率只能达到200nm，而通常病毒和亚细胞结构的尺寸只有几十到200多纳米，远远小于普通光镜的分辨率。超高分辨显微技术的出现，为观测这类精细结构提供了可能，因此也得到了越来越广泛的应用。作为超高分辨技术的先驱，受激发射损耗（STimulated Emission Depletion, STED）技术更是在生命科学领域尤其是病毒学相关研究中发挥着重要作用。

本次为大家分享STED技术在病毒学研究中的应用和新进展，助力生命科学研究和发展。

STED基本原理
2014年诺贝尔化学奖授予三位科学家，以表彰他们发明超高分辨显微技术。其中Stefan Hell发明了STED技术，而徕卡公司也是第一个将其商业化。从2007年开始，徕卡STED产品不断创新和优化，已经拥有近13年的STED技术积累。2014年首次推出SP8 STED 3X，即荣获当年的R&D100大奖。2019年更是创新性的推出了τ-STED，进一步在提升分辨率的同时降低了激光功率，更适合活细胞超高分辨成像。

2014年诺贝尔化学奖获得者，左起分别是：Eric Betzig、Stefan W. Hell、William E. Moerner

说了这么多，STED技术原理到底是什么呢？很简单。我们想象一下，一个点发射出的荧光信号，被检测后通常是一个衍射斑；如果我们同时使用一个甜甜圈样的激光将其周围的信号擦除掉，只允许中心很小的荧光信号发射出来，这样分辨率不就提高了吗。这个起擦除作用的激光便是STED激光，也叫损耗光，利用的是荧光的受激发射损耗原理。之后，通过对图像的扫描，即可直接呈现超高分辨图像，无需任何后续计算过程。同时，根据公式，可通过增加STED激光功率来提升图像分辨率。

STED原理示意图：STED通过受激发射损耗去除衍射环上的荧光信号，大大缩小有效的激发区域，从而改写了分辨率公式，提高了光学分辨率

STED技术在病毒学研究中的应用实例

第一个应用实例，是对病毒精细结构的观察。2012年发表在国际顶级期刊science上，标题为：荧光纳米显微镜（STED）揭示成熟依赖的HIV-1病毒表面蛋白的再分布特征【1】。

图中绿色代表HIV-1病毒粒子，红色表示病毒表面的膜蛋白。可以看到，通过普通共聚焦无法分辨膜蛋白的具体定位位置，很模糊。包膜糖蛋白gp120（红色）与病毒粒子（绿色）90%共定位，信号模糊，分辨不出细节。而STED成像可以发现，大多数成熟病毒粒子表现出单一的包膜蛋白Env信号或焦点(图1B)，而大多数未成熟粒子表现出两个或两个以上的包膜蛋白Env信号(图1D)。

第二个应用实例，是对病毒成熟过程的观察。标题为：STED纳米显微镜揭示HIV病毒蛋白水解成熟的时间过程【2】。

利用STED显微镜发现在HIV-1病毒成熟和未成熟条件下，可非常清晰区分其Gag蛋白的不同结构特征。未成熟病毒的Gag蛋白呈中空环状（图a），而成熟病毒中呈实心固缩状（图b）。

作者巧妙的利用光控方法，进行STED时间序列成像。在400nm紫外光照后，PDI（光催化降解的蛋白酶抑制剂）降解，Gag蛋白能够被蛋白酶水解切割，进而病毒成熟。STED时间序列成像可轻松捕获病毒从未成熟到成熟过程，Gag蛋白重排的结构变化过程。

第三个应用实例，是对病毒基因组示踪。标题为：以单分子分辨率示踪宿主细胞中的病毒基因组【3】。

腺病毒DNA通过AF594标记的叠氮点击反应显示，衣壳蛋白通过抗hexon的抗体识别，并且只有在脱壳后，病毒DNA才可以被反应检测到荧光信号。

通过gated STED超高分辨显微成像，可显著提高分辨率，清晰呈现病毒衣壳和DNA的真实尺寸大小。腺病毒衣壳实际大小约80nm，gSTED显示约110nm（包含一二抗尺寸），与实际一致。gSTED显示被衣壳蛋白包裹的病毒DNA尺寸略小于80nm，也与衣壳尺寸符合。