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Short Communication |
Use
of Three-dimensional Fluorescence Deconvolution Microscopy for Study of Spatial
Distribution of Secretory Vesicles in Living Cells
LI Dong-Dong, GUO Xue-Bin, QU An-Lian*, XU Tao
(
Institute of Biophysics and Biochemistry, School of Life Science and
Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
)
Abstract A
three-dimensional image of a living cell is helpful for cell secretion study.
In this report , the three-dimensional fluorescence deconvolution microscopy
for observing living cells was studied, because this technique can obtain a
quick three-dimensional imaging with minimal fluorescence quenching and
cytotoxicity for living cell observation. The property of three-dimensional
point spread function (PSF) of imaging system was analyzed. The relationship
between experimental and theoretical PSF was illustrated, and the theoretical
PSF was proved that it could reflect the principle of imaging system with NA
1.65 objective in use. Three-dimensional deconvolution algorithm in this report
was proved effective by well-defined three-dimensional specimens. Furthermore,
the rat pancreatic β cell secretory vesicles labeled by acridine orange was
observed by using this technique. Results showed that the blurring induced by
out-of-focus light was removed by the deconvolution algorithm effectively,
under current experiment conditions (with NA 1.65 objective) the experimental
PSF approximated the theoretical PSF very well, and deconvolved living cell
images exhibited the spatial distribution of the secretory vesicles clearly.
Key words ecretory vesicle;
three-dimensional fluorescence deconvolution microscopy; point spread function
_________________________________________
Received: January 24, 2003 Accepted: May 12, 2003
This work was supported by grants of a
General Program (No.60071030) and a Key Program (No.30130230) from the National
Natural Science Foundation of China, and a grant from National Science Fund for
Distinguished Young Scholars (No. 30025023)
*Corresponding author: Tel,
86-27-87543104-86; Fax, 86-27-87542499;e-mail, [email protected]
以三维荧光反卷积显微技术研究活体细胞中分泌囊泡的空间分布
李栋栋 郭学彬 瞿安连* 徐涛
(
华中科技大学生命科学与技术学院生物物理与生物化学研究所, 武汉430074 )
摘要
获得活体细胞三维图像以观察细胞内分泌囊泡的空间分布有助于细胞分泌机制的研究。 三维荧光反卷积显微技术可以为活体细胞观察提供低荧光漂白, 低毒副作用的快速三维成像。 研究了显微成像系统实验测定和理论计算点扩展函数之间的关系,
并且实验验证了NA 1.65物镜条件下, 理论计算点扩展函数可以较好地反映显微成像系统的特性。
然后使用已知物理结构的三维样本对反卷积算法的有效性进行了研究。 进而对使用吖啶橙 (acridine orange) 标记的大鼠胰腺β细胞分泌囊泡进行观察。 结果显示, 反卷积算法可以有效地去除原始图像中因为焦外光影响产生的模糊, 处理后图像清晰地显示了细胞内分泌囊泡的空间分布。
关键词 分泌囊泡; 三维荧光反卷积显微技术; 点扩展函数
内分泌细胞和神经元通过分泌囊泡的胞吐释放激素和神经递质。
使用生物化学和电生理方法对分泌过程的研究已取得显著进展[1~3], 但是对于分泌囊泡胞吐前阶段的研究只能通过动力学模型推测。
对活体细胞分泌囊泡进行直观观察将有助于深入了解分泌囊泡在细胞内的整个动态过程。 利用全内反射显微技术对细胞膜附近分泌囊泡动态过程的定量研究已经发现了很多有价值的信息[4~6], 然而这种技术无法观察发生在细胞内部较深处的分泌囊泡运动过程。
共聚焦显微技术可以获得细胞的三维图像, 但其高强度激发光使荧光染料被快速漂白并对细胞造成毒副作用。共聚焦系统的逐点扫描成像方式可能导致图像不能正确反映在扫描时间内发生在细胞内的动态变化过程[7]。
三维荧光反卷积显微技术以光学切片方法获得样本的三维原始图像, 然后利用反卷积图像恢复技术去除焦平面外荧光造成的模糊。 这种技术可以为活体细胞观察提供低荧光漂白, 低毒副作用的快速三维成像。 点扩展函数(point spread function, PSF)表征了成像系统的特性,
在本文中我们使用实验方法分别测定了NA 1.35物镜和NA 1.65物镜条件下成像系统的PSF, 同时研究了PSF的数学模型, 证实在本文成像条件下理论计算PSF的正确性。 使用已知物理构造的三维样本讨论了一种反卷积算法的有效性。
对大鼠胰腺β细胞内分泌囊泡的观察结果显示反卷积处理后的细胞三维图像清楚地展现了分泌囊泡在β细胞内的分布情况。
1 材料和方法(Materials and
Methods)
1.1 数据采集系统
宽场荧光显微镜(IX70; Olympus, 日本), 物镜(APO
100×/1.65 NA Oil HR; UPIanApo 100×/1.35 NA Oil Iris; Olympus), 单色光源及控制器(Polychrome Ⅳ; Till
Photonics GmBH, 德国), 电荷偶合器件CCD (SensiCam, SVGA; PCO; 德国), 计算机(P4 1.7 G, 1 G RAM), 压电z轴扫描控制器(E-662.
LR; Physik Instruments, 德国)和图像采集软件(Till
vision 4.0; Till Photonics GmBH)组成。 将光轴定义为z轴。 使用压电z轴扫描控制器以0.2 μm步进间隔控制物镜沿光轴移动, 采集得到的一系列二维切片图像被用来重建三维图像[8], 此时成像系统焦平面沿光轴步进的间隔是物镜步进间隔的75%[9]。
1.2
PSF的实验测定
取通体发光小荧光珠, λ表示发射荧光波长, NA表示物镜数值孔径, 当荧光珠直径小于显微镜分辨率即D≤0.61 λ/ NA时[10], 它可用来充当点源, 其三维图像就是成像系统的PSF。 本实验使用了两种荧光珠, 直径0.05 μm荧光珠(FluoresbriteTM Carboxylate
Microspheres, 直径=0.0481 μm, 标准差=0.0052 μm, Polyscience, Inc)和直径为0.175 μm荧光珠(PS -SpeckTM, Green; Molecular
Probes)。实验中将荧光珠悬浮液滴在和物镜相匹配的玻片上(NA 1.65: 折射率=1.78, 厚度=0.15 mm, Olympus ,Inc; NA 1.35: 0#)静置晾干, 然后采集其三维图像。
1.3 PSF数学模型及与实验测定PSF的比较
三维显微成像系统的PSF可以由下式描述[11]:
