Kính hiển vi điện tử và cấu trúc siêu hiển vi

Kính hiển vi điện tử sử dụng chùm điện tử thay vì ánh sáng khả kiến để tạo ảnh mẫu vật, và vì điện tử có bước sóng ngắn hơn nhiều so với ánh sáng, nó có thể phân giải chi tiết tế bào ở mức độ thấp hơn nhiều so với giới hạn nhiễu xạ của kính hiển vi quang học. Đây là kỹ thuật đã tiết lộ cấu trúc siêu hiển vi của tế bào — kiến trúc tinh vi của các bào quan và màng — và vẫn là phương thức tham chiếu cho các đặc điểm nhỏ nhất của tế bào.

Definition

Kính hiển vi điện tử là một dạng kính hiển vi trong đó chùm điện tử, được hội tụ bởi các thấu kính điện từ, được sử dụng để tạo ra hình ảnh phóng đại; khi áp dụng cho tế bào, nó phân giải cấu trúc siêu hiển vi — tổ chức nội tại tinh vi của màng và bào quan dưới độ phân giải của kính hiển vi quang học.

Scope

Mục này bao gồm cơ sở của hình ảnh điện tử-quang học, quá trình chuẩn bị mẫu vật (cố định, nhúng, cắt lát, nhuộm kim loại nặng) cần thiết để quan sát tế bào, và các chi tiết cấu trúc siêu hiển vi mà phương pháp này tiết lộ. Nó coi kính hiển vi điện tử là một phương pháp hình ảnh trong sinh học tế bào chứ không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Tại sao chùm điện tử lại phân giải được nhiều chi tiết hơn ánh sáng khả kiến?
• Các tế bào phải được cố định, nhúng và nhuộm như thế nào để có thể tạo ảnh?
• Những đặc điểm cấu trúc siêu hiển vi nào chỉ có thể nhìn thấy bằng kính hiển vi điện tử?
• Những sai sót nào trong quá trình chuẩn bị có thể làm biến dạng cấu trúc biểu kiến?

Key concepts

• Tạo ảnh bằng chùm điện tử
• Độ phân giải dưới giới hạn nhiễu xạ ánh sáng
• Cố định hóa học
• Nhuộm kim loại nặng và mật độ điện tử
• Cắt lát siêu mỏng
• Chế độ truyền qua và quét
• Kính hiển vi điện tử đông lạnh các mẫu vật đông lạnh
• Sai sót trong quá trình chuẩn bị

Mechanisms

Vì khả năng phân giải của kính hiển vi được cải thiện khi bước sóng của bức xạ chiếu sáng ngắn lại, bước sóng rất ngắn của các điện tử được gia tốc cho phép kính hiển vi điện tử phân giải cấu trúc siêu hiển vi ở thang nanomet. Các tế bào phải được làm cho hiển thị và ổn định trong thiết bị: cố định hóa học bảo tồn cấu trúc, với phương pháp cố định aldehyde được Sabatini và các đồng nghiệp giới thiệu mang lại sự bảo tồn tốt cả cấu trúc siêu hiển vi và hoạt tính enzyme, trong khi các chất nhuộm kim loại nặng cung cấp mật độ điện tử tạo ra độ tương phản. Công trình của Palade về cố định và cấu trúc tinh vi của ty thể minh họa cách chuẩn bị cẩn thận đã làm cho kiến trúc bào quan có thể giải thích được. Kính hiển vi điện tử đông lạnh (cryo-electron microscopy), được Dubochet và các đồng nghiệp phát triển, thay vào đó làm đông lạnh mẫu vật để tạo ảnh chúng ở trạng thái gần tự nhiên, ngậm nước và tránh được nhiều sai sót do nhuộm và mất nước.

Clinical relevance

Kính hiển vi điện tử hỗ trợ chẩn đoán bệnh lý cấu trúc siêu hiển vi — ví dụ trong việc giải thích sinh thiết thận và nghiên cứu lông mao và vi rút — và cung cấp thông tin cho nghiên cứu về cơ chế bệnh. Mục này mô tả cách tạo ra và đọc các hình ảnh cấu trúc siêu hiển vi; nó mang tính chất tham khảo-giáo dục và không phải là cơ sở cho các quyết định chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

History

Kính hiển vi điện tử, được phát triển vào những năm 1930, đã được áp dụng cho tế bào vào giữa thế kỷ và nhanh chóng làm thay đổi sinh học tế bào. Các nghiên cứu đầu những năm 1950 của Palade về cố định và cấu trúc ty thể đã thiết lập cách chuẩn bị và giải thích các mẫu vật tế bào, cố định aldehyde (Sabatini, 1963) đã cải thiện việc bảo tồn cấu trúc và enzyme, và việc giới thiệu kính hiển vi điện tử đông lạnh (Dubochet, 1988) sau đó đã cho phép tạo ảnh vật liệu sinh học ở trạng thái đông lạnh, gần tự nhiên.

Debates

Mẫu vật đã được cố định, nhuộm và cắt lát thể hiện tế bào sống một cách trung thực đến mức nào?

Quá trình chuẩn bị thông thường bao gồm cố định, mất nước, nhúng và nhuộm kim loại nặng, mỗi bước đều có thể gây ra sai sót; các phương pháp đông lạnh làm đông lạnh các mẫu vật ngậm nước được phát triển một phần để tạo ảnh cấu trúc gần với trạng thái tự nhiên của nó.

Key figures

• George Palade
• David Sabatini
• Jacques Dubochet

Seminal works

• palade-1952
• palade-1953
• sabatini-1963
• dubochet-1988

Frequently asked questions

Tại sao kính hiển vi điện tử có thể nhìn thấy các bào quan mà kính hiển vi quang học không thể?

Điện tử có bước sóng ngắn hơn nhiều so với ánh sáng khả kiến, và độ phân giải được cải thiện khi bước sóng giảm, do đó kính hiển vi điện tử phân giải cấu trúc siêu hiển vi ở thang nanomet nằm dưới giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng.

Tại sao các tế bào phải được chuẩn bị đặc biệt cho kính hiển vi điện tử?

Các mẫu vật phải được cố định, nhúng, cắt thành các lát siêu mỏng và nhuộm bằng kim loại nặng để cung cấp sự ổn định và độ tương phản trong chùm điện tử; hoặc các phương pháp đông lạnh làm đông lạnh mẫu để bảo tồn trạng thái gần tự nhiên, ngậm nước.