超高速光學影像技術解析早期病毒感染細胞的過程

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儘管生物醫學技術日新月異，病毒感染所引起的許多疾病，仍然造成人類傷亡以及巨大的經濟損失。此外，病毒也可用來製備對抗許多疾病的疫苗載體，了解病毒如何感染細胞，對發展基因載體和疫苗來說非常重要。病毒感染是個非常複雜的過程。透過生化以及分子生物學的研究方法，人類已經累積了許多關於病毒感染的知識。結合熒光顯微技術，人類也能夠窺探單一病毒進入細胞的過程和途徑。成功的病毒感染需要病毒和細胞膜內分子動態的交互作用，由於病毒和細胞膜分子的尺寸十分微小，科學家對於病毒顆粒與細胞膜上的受體如何交互作用，乃至促成病毒入侵這個問題，仍然缺少具有合適時間及空間解析度的研究手段。

台灣中央研究院的謝佳龍研究團隊，近年來成功發展了適合研究病毒入侵活體細胞的超高速光學顯微影像技術，在超高速下觀察到單一病毒粒子與細胞膜中受體的高速動態交互作用。該顯微技術是利用干涉的方法檢測病毒粒子本身的散射光訊號。相比於廣泛使用的熒光技術，散射信號的穩定性高，更適合高速、高準確度、長時間的觀察。此技術不需要使用任何標記，因此能夠避免標記物可能造成的干擾。藉助這一手段，研究人員可以觀察到病毒最真實的感染行為。以往科學家未能利用散射信號研究病毒感染，主要是因為病毒的體積微小，因此散射信號微弱，加上活細胞實驗中細胞樣品的背景散射，讓檢測變得更加困難。為了克服這些困難，該團隊開發了兩項關鍵技術，第一是採用干涉的方法檢測散射信號，大幅度增加了檢測的靈敏度。第二是開發圖像處理與分析技術，能夠將不斷移動的病毒與相對靜態的細胞背景分開，得到零背景的超清晰病毒影像。

通過以上的方法，該團隊成功地實現了在超高速下（每秒十萬張影像），直接觀察牛痘病毒與活體細胞膜的交互作用。從技術層面上講，該實驗首次在沒有標記病毒的情況下，於活體細胞環境中完成了單一病毒運動的檢測與跟蹤。測量結果同時具有超高的空間準確度，三維準確度均小於3 nm。該團隊進一步利用微注射技術，將病毒局部釋放到顯微觀察區域，藉助這一手段記錄病毒感染細胞膜的連續過程。基於超高時間空間解析度的觀察，他們首次揭示了病毒與細胞接觸初期的動態行為：病毒在與細胞膜接觸的一秒鐘內便定域在約數百納米的直徑範圍。出乎意料的是，在該定域範圍內，病毒以非常快速的擴散運動探索細胞膜，並且不間斷地在許多只有數十納米大的區域中短暫停留。這些納米大小的短暫停留，很可能是病毒與細胞膜受體交互作用的結果，以上研究發表於ACS Nano上，目前該研究仍在積極進行中。

台灣中央研究院所開發的超高速同調式亮場光學顯微鏡(Coherent brightfield microscopy, COBRI microscopy)。

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超高速光學影像技術解析早期病毒感染細胞的過程

儘管生物醫學技術日新月異，病毒感染所引起的許多疾病，仍然造成人類傷亡以及巨大的經濟損失。此外，病毒也可用來製備對抗許多疾病的疫苗載體，瞭解病毒如何感染細胞，對發展基因載體和疫苗來說非常重要。病毒感染是個非常複雜的過程。透過生化以及分子生物學的研究方法，人類已經累積了許多關於病毒感染的知識。結合螢光顯微技術，人類也能夠窺探單一病毒進入細胞的過程和途徑。成功的病毒感染需要病毒和細胞膜內分子動態的交互作用，由於病毒和細胞膜分子的尺寸十分微小，科學家對於病毒顆粒與細胞膜上的受體如何交互作用，乃至促成病毒入侵這個問題，仍然缺少具有合適時間及空間解析度的研究手段。

臺灣中央研究院的謝佳龍研究團隊，近年來成功發展了適合研究病毒入侵活體細胞的超高速光學顯微影像技術，在超高速下觀察到單一病毒粒子與細胞膜中受體的高速動態交互作用。該顯微技術是利用干涉的方法檢測病毒粒子本身的散射光訊號。相比於廣泛使用的螢光技術，散射信號的穩定性高，更適合高速、高準確度、長時間的觀察。此技術不需要使用任何標記，因此能夠避免標記物可能造成的干擾。藉助這一手段，研究人員可以觀察到病毒最真實的感染行為。以往科學家未能利用散射信號研究病毒感染，主要是因為病毒的體積微小，因此散射信號微弱，加上活細胞實驗中細胞樣品的背景散射，讓檢測變得更加困難。為了克服這些困難，該團隊開發了兩項關鍵技術，第一是採用干涉的方法檢測散射信號，大幅度增加了檢測的靈敏度。第二是開發影像處理與分析技術，能夠將不斷移動的病毒與相對靜態的細胞背景分開，得到零背景的超清晰病毒影像。

通過以上的方法，該團隊成功地實現了在超高速下（每秒十萬張影像），直接觀察牛痘病毒與活體細胞膜的交互作用。從技術層面上講，該實驗首次在沒有標記病毒的情況下，於活體細胞環境中完成了單一病毒運動的檢測與跟蹤。測量結果同時具有超高的空間準確度，三維準確度均小於3 nm。該團隊進一步利用微注射技術，將病毒局部釋放到顯微觀察區域，藉助這一手段記錄病毒感染細胞膜的連續過程。基於超高時間空間解析度的觀察，他們首次揭示了病毒與細胞接觸初期的動態行為：病毒在與細胞膜接觸的一秒鐘內便定域在約數百納米的直徑範圍。出乎意料的是，在該定域範圍內，病毒以非常快速的擴散運動探索細胞膜，並且不間斷地在許多只有數十納米大的區域中短暫停留。這些納米大小的短暫停留，很可能是病毒與細胞膜受體交互作用的結果，以上研究發表於ACS Nano上，目前該研究仍在積極進行中。

臺灣中央研究院所開發的超高速同調式亮場光學顯微鏡(Coherent brightfield microscopy, COBRI microscopy)。

該論文作者為：Yi-Fan Huang, Guan-Yu Zhuo, Chun-Yu Chou, Cheng-Hao Lin, Wen Chang, Chia-Lung Hsieh

Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells

ACS Nano,2017,11, 2575-2585, DOI: 10.1021/acsnano.6b05601

謝佳龍博士簡介

謝佳龍博士在Demetri Psaltis教授的指導下，於2011年取得加州理工學院電機博士學位，2011年至2012年於德國Max Planck Institute for the Science of Light的Vahid Sandoghdar教授實驗室進行博士後研究，於2012年12月起就職於台灣的中央研究院原子與分子科學研究所，成立納米生物光學實驗室，研究方向為新穎的光學顯微技術及納米尺度的生物物理現象。

謝佳龍

http://www.x-mol.com/university/faculty/40469

納米生物光學實驗室

http://www.iams.sinica.edu.tw/personal/clhsieh/pages/research

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