超微结构与成像
超微结构与成像属于细胞生物学领域，旨在使细胞及其内部组织可视化，从光学显微镜下可分辨的宏观轮廓，到电子显微镜揭示的分子结构。它涵盖了将细胞、细胞器和标记分子转化为可解释图像的光学和电子光学技术，并为我们对细胞结构的大部分认知提供了基础。
Definition
超微结构是指细胞在普通光学显微镜分辨率极限以下可分辨的精细内部结构，而成像则指用于在从整个细胞到大分子组装体的尺度上可视化细胞及其组分的一系列显微镜技术。
Scope
本领域旨在引导读者了解用于研究细胞的主要成像模式：光学显微镜及其放大和分辨率的物理原理；电子显微镜及其揭示的细胞超微结构；用于光学切片和分子对比的共聚焦和荧光显微镜；以及用于定位特定蛋白质的免疫荧光。这是一个方法学和参考性分组，而非临床指导。
Sub-topics
Core questions
- 每种显微镜模式可以分辨的细胞细节水平如何？
- 对比度是如何产生的——通过染色、电子密度还是荧光标记？
- 特定分子如何在成像细胞内定位？
- 标本制备会引入哪些伪影，以及如何控制它们？
Key concepts
- 分辨率和衍射极限
- 放大倍数
- 对比度生成
- 光学切片
- 荧光标记
- 电子密度和重金属染色
- 标本固定和制备伪影
Mechanisms
成像模式主要因其所使用的辐射类型而异，因此其可分辨的细节程度也不同。光学显微镜使用可见光，受衍射限制，分辨率大致在波长尺度；而电子显微镜使用波长短得多的电子来分辨亚细胞超微结构，例如帕拉德（Palade）早期对线粒体精细结构的研究。对比度是人为制造的：重金属染色在电子显微镜中产生电子密度，而荧光染料和蛋白质在激发下发光，在荧光和共聚焦成像中提供分子对比度。吉普曼斯（Giepmans）及其同事编目的荧光工具箱将这些标记物与特定分子连接起来，从而可以在图像中读取位置和功能。
Clinical relevance
细胞成像为诊断性组织病理学、细胞学和疾病机制研究提供了基础，了解这些模式有助于评估结构证据。本领域描述了细胞图像的生成和解释方式；它属于参考教育性质，不能作为个体诊断或治疗决策的依据。
History
细胞成像取得了两大进展：自17世纪以来揭示细胞但受衍射极限限制的光学显微镜，以及自20世纪中期以来开启超微结构世界的电子显微镜。帕拉德1953年对线粒体的电子显微镜研究，例证了新仪器如何解析细胞器结构，而后来荧光探针和共聚焦光学器件的发展，则为工具包增添了分子特异性和光学切片功能。
Key figures
- George Palade
- Jeff Lichtman
- Roger Tsien
Related topics
Seminal works
- palade-1953
- lichtman-2005
- giepmans-2006
Frequently asked questions
- 为什么要使用电子显微镜而不是光学显微镜？
- 电子的波长比可见光短得多，因此电子显微镜可以分辨低于光学显微镜衍射极限的精细亚细胞超微结构。
- 本领域中的成像模式有何区别？
- 它们在使用辐射和对比机制上有所不同：光与电子，以及染料与电子密度与荧光标记，这些共同决定了每种模式能够分辨和可视化什么。