長(zhǎng)久以來，在復(fù)雜、異質(zhì)的樣品中同時(shí)識(shí)別以及定位多個(gè)分子或者分子組裝的能力一直是推動(dòng)熒光顯微鏡在生物和物理科學(xué)研究中應(yīng)用的主要特性。例如，自1986年以來，使用四種光譜上的不同熒光團(tuán)來識(shí)別DNA中的腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）堿基，這一直是大多數(shù)自動(dòng)化DNA測(cè)序技術(shù)的基礎(chǔ)。然而，對(duì)大規(guī)模生物系統(tǒng)的基因組和轉(zhuǎn)錄組的研究可能需要同時(shí)識(shí)別和定位成百上千的分子標(biāo)靶。這種高度并行的分析超出了基于光譜鑒別的多路復(fù)用能力。Lumencor分析了基于光譜鑒別的多路復(fù)用熒光檢測(cè)的局限性，以及為擴(kuò)大可檢測(cè)標(biāo)靶數(shù)量而引入的一些固態(tài)光源新技術(shù)。

光譜鑒別的局限性

大多數(shù)多路復(fù)用檢測(cè)方案都基于光譜鑒別，因?yàn)榕c基于時(shí)間或空間鑒別方法相比，它的技術(shù)復(fù)雜性較低，成本也較低。然而由于光譜串?dāng)_，光譜的鑒別方法范圍僅限于大約5個(gè)目標(biāo)（圖1和圖2）。這種局限性主要是由于用于雙分子標(biāo)記的熒光染料和熒光蛋白（FP）的光譜特性，如圖1 所示。在此示例中，雖然只有兩個(gè)熒光標(biāo)記，但它們的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)跨越了整個(gè)可見光波長(zhǎng)范圍（400-700nm），并且具有明顯的光譜重疊，會(huì)導(dǎo)致光譜分離不完全。如果以485nm左右的光進(jìn)行激發(fā)（灰色部分），兩種熒光團(tuán)會(huì)被同時(shí)激發(fā)。只有波長(zhǎng)大于550nm時(shí)才能選擇性地激發(fā)其中的一種，從而獲得光譜鑒別。

圖1. Alexa Flour488和Alexa Fluor 555熒光染料的歸一化熒光激發(fā)和發(fā)射光譜。發(fā)射光譜的重疊區(qū)域由綠色陰影表示?；疑幱皡^(qū)域表示圖2中用于采集圖像A-C的激發(fā)帶寬（475/28nm）。

針對(duì)串?dāng)_的問題，雖然已經(jīng)開發(fā)出具有窄發(fā)射光譜的量子點(diǎn)納米晶體，可以提供更好的分離光譜。但與有機(jī)染料相比，這種改進(jìn)的代價(jià)是熒光團(tuán)尺寸增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這反過來又阻礙了它們?cè)陔p分子標(biāo)記應(yīng)用中的應(yīng)用。

Lumencor的固態(tài)光引擎優(yōu)化了輸出光譜，提供了多個(gè)窄線寬的光源，盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)特定熒光染料的精確激發(fā)，而這對(duì)于多重?zé)晒鈾z測(cè)至關(guān)重要，可以有效減小光譜串?dāng)_問題的發(fā)生。下圖中是使用Lumencor SPECTRA光引擎、Andor Zyla 5.5 sCMOS相機(jī)和Nikon Ti2顯微鏡對(duì)麂皮成纖維細(xì)胞進(jìn)行成像?？梢钥吹接捎诩ぐl(fā)光帶寬（555/28 nm）與Alexa Fluor 488的激發(fā)光譜沒有顯著交叉，因此圖像沒有因串?dāng)_而退化。

圖2. 四張60倍熒光圖像，展示了同一視野下的麂皮成纖維細(xì)胞。

用Alexa Fluor 488 phalloidin (actin)以及mouse anti–OxPhos Complex V + Alexa Fluor 555 goat anti–mouse IgG (mitochondria)進(jìn)行標(biāo)記。A.使用單波段激光和發(fā)散濾光片以及單波段的二色分光鏡來獲得的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的圖像。B.使用單波段激發(fā)和發(fā)射濾光片以及多波段段二色分光鏡來獲得的等效肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架圖像。C.由于光譜串?dāng)_導(dǎo)致線粒體檢測(cè)時(shí)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架圖像退化。圖像使用單波段激發(fā)濾光片、多波段二色分光鏡和多波段的發(fā)射濾光片獲得。D.使用單波段激發(fā)濾光片、多波段二色分光鏡和多波段發(fā)射濾光片獲得的線粒體圖像。

多重?zé)晒獬上竦耐黄?/strong>

好馬配好鞍，為了充分利用 Lumencor 光源的優(yōu)秀性能，科研人員正在進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化用于多路復(fù)用熒光檢測(cè)的方案。

優(yōu)化的光學(xué)濾光片和解混算法

來自美國(guó)國(guó)家神經(jīng)系統(tǒng)疾病和卒中研究所的一篇Nature論文中有為解決多重?zé)晒獬上竦臒晒獯當(dāng)_問題提供了一些新策略。為了理解大腦中健康和病理生理過沖需要對(duì)多個(gè)組織樣本進(jìn)行大量的組織學(xué)觀察，以表征所有主要的腦細(xì)胞類型。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模多重免疫熒光成像技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)多達(dá)10種不同熒光標(biāo)記物的同時(shí)成像，從硬件上，他們優(yōu)化了濾光片的組合，使用了10組自定義的激發(fā)/二向色/發(fā)射濾光片組合，這些精心挑選的濾光片被優(yōu)化用于迭代成像不同的光譜兼容的熒光標(biāo)記物，以確保在成像光譜范圍內(nèi)具有最小的光譜串?dāng)_。而從軟件上，本文中也開發(fā)了多種算法以從復(fù)雜的腦組織樣本中提取出豐富和準(zhǔn)確的生物學(xué)信息，主要是一種半監(jiān)督稀疏線性光譜解混算法，校正原始熒光圖像數(shù)據(jù)的串?dāng)_和非特異性標(biāo)記，提高了信號(hào)分離的準(zhǔn)確性。

Lumencor固態(tài)光引擎SPECTRA的光譜輸出針對(duì)本方案中使用的熒光染料面板的選擇性激發(fā)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖3所示。光引擎集成了 LED、光管和激光器，以實(shí)現(xiàn)所需的光譜激發(fā)分布和所需的光功率。使用相同的熒光染料組合和濾光片配置，通過連續(xù)的剝離、重新標(biāo)記和成像輪次，可以增加多重檢測(cè)的程度。通過5個(gè)周期的剝離、10倍多重標(biāo)記和成像，已證明可以在大鼠大腦冠狀切片中同時(shí)定位50個(gè)生物標(biāo)記靶標(biāo)。

圖3. SPECTRA光引擎的光譜輸出經(jīng)過優(yōu)化，可選擇性激發(fā)用于10倍免疫熒光檢測(cè)的熒光染料。

參考文獻(xiàn)：

D Maric, J Jahanipour, B Roysam et al., Whole-brain tissue mapping toolkit using large-scale highly multiplexed immunofluorescence imaging and deep neural networks. Nature Communications (2021)12:1550

MERFISH技術(shù)

通過在基于光譜鑒別的多路復(fù)用技術(shù)中添加空間和時(shí)間維度，已經(jīng)開發(fā)出能夠同時(shí)識(shí)別和定位數(shù)百和數(shù)千個(gè)生物分子標(biāo)靶的多路復(fù)用技術(shù)。而用于基因表達(dá)分析的分子條形碼掃描就是這樣一種技術(shù)，利用核酸雜交來識(shí)別DNA和RNA分子標(biāo)靶，并將其作為產(chǎn)生熒光染料順序排列的模版。

圖4. 用于基因表達(dá)分析的分子條形碼掃描。掃描儀配有激發(fā)和發(fā)射濾光片，可區(qū)分由藍(lán)色、綠色、黃色和紅色圓圈代表的 4 種染料，可讀取探針位置 1 至 6 的熒光信號(hào)，以揭示雜交核酸靶標(biāo)的編碼身份。

以分子條形碼掃描為出發(fā)點(diǎn)的MERFISH (多重誤差魯棒熒光原位雜交)是一種高度多重化的單分子成像技術(shù)，能夠同時(shí)測(cè)量單個(gè)細(xì)胞中數(shù)百至數(shù)千個(gè)目標(biāo) RNA 種類的拷貝數(shù)和空間分布。首先將編碼的寡核苷酸探針和目標(biāo)RNA雜交，并依次添加熒光染料標(biāo)記的讀取核苷酸探針。這些讀取探針會(huì)在單分子級(jí)別上被空間定位，然后被熄滅。讀取探針必須僅與編碼探針雜交，而不能與細(xì)胞核酸發(fā)生雜交。通過連續(xù)的成像周期積累編碼探針的身份，如果編碼探針通過讀取探針的雜交被檢測(cè)到，則賦予二進(jìn)制位值“1”，如果沒有檢測(cè)到，則賦予“0”。原則上，需要 12 個(gè)雜交+成像周期來識(shí)別 4095（212-1）個(gè)獨(dú)特的編碼探針。實(shí)際上，二進(jìn)制編碼空間較少，以盡量減少假陰性（1>0）和假陽(yáng)性（0>1）調(diào)用錯(cuò)誤以及隨之而來的靶標(biāo) RNA 錯(cuò)誤識(shí)別。例如，已經(jīng)證明可以使用 69 位條形碼識(shí)別 10,050 個(gè) RNA 靶標(biāo)。

對(duì)于MERFISH應(yīng)用，需要高強(qiáng)度、空間均勻的照明場(chǎng)，并且與典型sCMOS相機(jī)傳感器的尺寸（~200mm2）相匹配。為了滿足此要求，需要在顯微鏡中安裝專業(yè)的臨界照明器。Lumencor的CELESTA光引擎很好地滿足了這些需求，通過光纖輸出耦合到顯微鏡中，通過高數(shù)值孔徑的高放大倍數(shù)物鏡在樣品平面上提供1-10W/mm2。

圖5. 為MERFISH多路單分子成像優(yōu)化的CELESTA激光光引擎輸出光譜。

顯然，對(duì)于那些超出簡(jiǎn)單光譜分辨能力的高并行熒光標(biāo)記生物分析，可以通過精心選擇熒光團(tuán)、光學(xué)濾光片、精細(xì)調(diào)節(jié)激發(fā)照明和智能算法來實(shí)現(xiàn)。巧妙的標(biāo)記策略，如分子條形碼，也可以應(yīng)用于廣泛的生物樣本，以增強(qiáng)來自高度復(fù)雜組織標(biāo)本的生物分子信息的光譜分辨和空間分布。在此，我們講述了一種大規(guī)模并行單分子成像技術(shù)，MERFISH，利用重復(fù)標(biāo)記協(xié)議來最大化單細(xì)胞中數(shù)十萬個(gè)RNA靶標(biāo)的拷貝數(shù)量和空間分布信息。檢索大量數(shù)據(jù)集的技術(shù)和機(jī)會(huì)對(duì)于當(dāng)今豐富的基因組和轉(zhuǎn)錄組信息生物分析至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)者必須在有限的波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行光譜解析，以充分利用光譜寬度、光譜純度和熒光團(tuán)兼容性，以實(shí)現(xiàn)激發(fā)和發(fā)射之間的最佳區(qū)分。策略性的重復(fù)成像，輔以純凈、明亮、穩(wěn)定的照明和高質(zhì)量的光學(xué)玻璃，能夠?qū)崿F(xiàn)高度多重化的結(jié)果，并克服了在可用可見波長(zhǎng)內(nèi)定義的歷史限制。