多模态成像与跨学科应用——Discoverer™ 布里渊显微镜在各前沿领域的突破性探索

多模态成像与跨学科应用——Discoverer™ 布里渊显微镜在各前沿领域的突破性探索

在力学生物学研究中，力学特性（如刚度和粘度）正日益成为理解疾病机制与组织发育的重要指标。Discoverer™布里渊显微镜以其非侵入、无标记、高分辨率的三维力学成像能力，为科研工作者提供了前所未有的工具。该系统采用低光毒性的780 nm近红外激光，实现对活体样本的精准照射，并最大限度减少光损伤。通过先进的布里渊散射技术，Discoverer能够测量纳米至微米尺度下的力学变化，从而揭示细胞与组织在不同生理或病理环境中的刚度分布和黏弹性特性。

Discoverer™的多模态成像整合能力，使其可以与明场、相差、DIC、荧光以及共聚焦显微镜无缝结合，实现机械信息与光学结构同步采集。软件内置的 MultiMap™ 自动映射功能和 FlowPlanner™ 个性化测量流程，使实验操作简便高效，即便是初学者，也能快速生成高质量数据。PerfectOverlay™ 功能进一步支持布里渊力学图像与荧光或明场图像叠加分析，为科研提供直观、可视化的数据支持。作为国内的独家授权合作伙伴，Quantum Design中国已将这款前沿设备引入国内市场。世联博研（北京）科技有限公司是该产品的核心合作伙伴。

一、肿瘤学与癌症研究

癌症细胞常表现出与健康细胞不同的生物力学特性，这些力学变化可为肿瘤的侵袭性提供重要线索。传统研究方法通常需要从培养物或组织中分离单个细胞，但这无法捕捉癌细胞在其自然三维环境中的行为。

德国德累斯顿工业大学Taubenberger课题组的研究证明了布里渊显微镜在表征三维体外肿瘤模型力学特性方面的潜力。研究团队对MCF-7乳腺癌细胞形成的肿瘤球体进行了详细分析，将MCF-7细胞在水凝胶中培养12天，并在多个深度进行成像，获得了活体类器官的详细三维力学图谱。由于细胞表达了细胞周期报告因子（FUCCI），研究人员可以实时追踪细胞周期进程，同时测量生物物理特性在不同阶段的演变。

研究发现，在顺应性水凝胶（1-2 kPa）中，部分球体发育出中央腔结构——这是乳腺形态发生的特征结构，通常在肿瘤发生过程中会消失。布里渊显微镜以亚细胞分辨率区分了细胞核和核仁等细胞器的力学特性。通过提供非侵入性、实时的肿瘤生物力学洞察，布里渊显微镜正在推动个性化医疗和精准癌症治疗的发展。

此外，研究人员还对胶质母细胞瘤球体与类器官进行了研究。同一细胞系的球体表现出相对均一的生物力学特性，而来自同一患者的类器官则表现出更大的力学和生化异质性。对乳腺癌肿瘤球体的研究中，标记物ATF3表达显著上调了48倍，验证了力学刺激对基因表达的深远影响。

二、植物力学

布里渊显微镜为植物生理学研究提供了全新的视角。Discoverer可对植物根尖等组织进行高精度布里渊扫描，观察到的粘弹性信息与明场图像中观察到的根细胞壁结构具有很好的相关性。乌普萨拉植物科学中心（UPSC）的研究人员将CellSense Discoverer™布里渊显微镜集成到Zeiss LSM 780共聚焦显微镜上，实现了对活体植物组织的无标记、非侵入性三维力学成像。

该系统结合了光纤耦合的780 nm低光毒激光、多级色散光谱仪和先进的sCMOS探测器，自由光谱范围达15 GHz，能够检测力学特性的细微变化。系统全自动运行，从对准校准到数据采集和分析，适用于不具备丰富光学经验的用户。

在UPSC，该设备被用于量化细胞壁刚度在生长和发育过程中的变化、监测植物对环境胁迫（盐度、干旱、温度波动）的力学响应、研究基因修饰如何影响作物和树木的组织力学，以及探索细胞粘附、侧根形成或病原体相互作用等过程中的力学信号传导。

三、发育生物学与模式生物研究

斑马鱼研究：活体斑马鱼尾部组织发育与修复的力学特性研究中，斑马鱼尾部组织中肌肉、脊索空泡细胞和细胞外基质等解剖学标志显示出清晰的力学对比。研究人员发现，斑马鱼幼体脊髓不同区域在发育和修复过程中布里渊频移随时间变化，损伤后布里渊频移短暂下降。

蝾螈研究：蝾螈（axolotl）作为再生研究的经典模式生物，其发育和再生过程中的力学特性变化也已通过共聚焦布里渊显微镜进行了在体评估。

四、组织力学

小鼠眼睛视网膜色素上皮单细胞层的3D布里渊显微镜扫描显示，通过沿Z轴在不同位置进行扫描，可以更好地在视网膜上皮单细胞层中找到所需的成像平面。这一能力对于研究视网膜疾病中的力学变化具有重要意义。

五、软件功能助力多学科研究

Discoverer™的软件设计使其在多学科研究中得心应手：

PerfectOverlay™：力学图像与光学图像的精准叠加

MultiMap™：多区域自动化力学特性扫描

FlowPlanner™：个性化测量流程设计

批量处理：支持图像批量处理与分析

3D渲染：三维力学数据可视化

FlowControl™：远程实验控制

特征与好处

                             特征                                                                                          好处

与明场、DIC、相差、荧光、共聚焦显微镜无缝结合                                               实现力学信息与光学结构同步采集，数据关联性更强

MultiMap™多区域自动化mapping                                                                               覆盖大面积样品，大幅提升实验效率

PerfectOverlay™图像叠加                                                                                       力学图像与光学图像精准叠加，定位更直观

FlowPlanner™个性化流程设计                                                                               适配不同研究方向的特定实验需求

780 nm低光毒激光                                                                                                       适合长时间活体成像，不损伤样本

全自动化操作                                                                                                               无需深厚光学背景即可上手

兼容四大主流显微镜品牌                                                                                       无需更换现有设备，即插即用