如今，科学家们已经能够使用功能强大的显微镜窥视细胞内部。要了解特定生物分子是如何作用和反应的，这一点非常重要。然而，这些工具也有一些缺点。以超分辨率荧光显微镜（SRM）为例。它非常适合追踪细胞中的单个分子（如蛋白质），但不能向科学家展示附近发生了什么。此外，虽然低温电子断层扫描（cryo-ET）可以获得高分辨率的细胞图像，但它无法精确定位单个分子在做什么。

近期，研究人员在一台显微镜中结合了两种显微成像技术，为科学家提供了一种在细胞环境中追踪单分子的高分辨率方法。这项研究成果为提高我们对细胞内部发生的微小细节进行可视化的能力打开了大门。

两种成像技术结合到一台显微镜中

研究报告的第一作者彼得-达尔伯格（Peter Dahlberg）说：“我们的目标是保持两种技术的优点。保留了荧光显微镜的分子特异性，所以你知道谁是谁，然后可以把它放在低温电子显微镜的高分辨率结构中。”

荧光显微镜技术是用一种较小的分子标记单个分子，这种分子在光线照射下会发光。然后就可以在普通的--尽管分辨率非常高--光学显微镜下追踪该分子。低温电子显微镜使用电子显微镜来研究细胞等速冻样本。将这两种技术相结合后，研究人员立即遇到了需要克服的问题。首先，必须将含有荧光标记分子的细胞投放到直径仅为3毫米的低温电子显微镜网格上，然后快速冷冻，使网格上的水变成玻璃（玻璃化）。一旦冻结，细胞就必须保持冻结状态。第二个问题是冷冻细胞的大小--它们有数千纳米厚--但冷冻 CT 使用的电子无法穿透 200 纳米以下的深度。

因此，研究人员开发了一种名为"聚焦离子束铣削系统"的设备，该设备附带扫描电子显微镜（FIB-SEM）。聚焦离子束会切割掉细胞材料，留下冷冻 ET 可以穿透的极薄的冷冻细胞片。然后，扫描电子显微镜向样品发射电子，生成高分辨率图像。

原型 FIB-SEM 有一个问题：它没有连接光学显微镜，这意味着必须移动冷冻-ET 网格才能进行荧光显微镜检查。幸运的是，解决方法很简单。Dahlberg说：“从根本上说，我们只是拆开了这台价值150万美元的精密仪器，安装了这个集成的光学显微镜，现在我们有了一个更好的系统。”

研究人员在 2020 年测试了 FIB-SEM，追踪细菌细胞内的蛋白质，发现它可以工作，但意识到冷冻 ET 网格的材料会吸收光线，破坏冷冻样本。因此，他们进行了一些调整，设计了更好的网格，并为光学显微镜制作了更好的平台。现在，研究人员正在设计不同种类的荧光标签--生物传感器--以便在低温条件下工作。生物传感器是一种荧光分子，能根据当地环境改变其发射或激发特性，在一种环境中发出一种颜色，而在另一种环境中则发出不同的颜色。

Dahlberg 说：“它们可以被调整为对 pH 值、适应数百种环境变量。因此，除了具体位置和高分辨率结构信息外，你还可以知道我的细胞是健康的还是生病的？即将进行细胞分裂？ATP浓度高吗？它提供了所有这些额外的内容。”研究人员将继续修补 FIB-SEM，直到它得到优化并充分发挥其潜力。

对细胞成像的其他科学研究

在细胞中，触手可及的囊泡来回穿梭进行货物运输。随着干细胞分化为神经元，DNA在核内重新排列。相邻的神经元通过类似网络的连接相互紧贴。一项新的显微镜技术“cryo-SR/EM”可以将所有细节展现得淋漓尽致。这项技术可以融合从电子显微镜和超分辨率光学显微镜捕获的图像，从而以3-D形式明亮、清晰地显示细胞内部的详细图案。

多年来，科学家一直在探索细胞内部的微观世界，开发出新工具来观察这些基本生命单位。但是每种工具都不是完美的。光学显微镜可以通过用易于看见的荧光分子标记特定的细胞结构来轻松识别它们。随着超分辨率（SR）荧光显微镜的发展，可以更清晰地查看这些结构。但是荧光只能在给定的时间内揭示出细胞中上万种蛋白质中的几种，因此很难理解这几种蛋白质与其他物质之间的关系。另一方面，电子显微镜（EM）可以显示高分辨率图片中的所有细胞结构，但是仅凭EM很难将一个特征与所有其他特征区分开，因为细胞内部的空间非常拥挤。

霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）珍妮莉亚研究园区（Janelia Research Campus）的高级研究组长哈拉德·赫斯（Harald Hess）说，将这两种技术结合在一起，可以使科学家清楚地了解特定细胞特征如何与周围环境联系起来。“这是一种非常强大的方法。”这项工作在《科学》杂志上进行了描述。

首先，科学家在高压下冷冻细胞。这会迅速停止细胞的活动，并防止形成冰晶，而冰晶会损坏细胞并破坏正在成像的结构。接下来，研究人员将样品放入低温室，在比绝对零度高不到10度的温度下，通过超分辨率荧光显微镜对细胞进行3-D成像。然后，将它们取出，嵌入树脂中，并在由赫斯实验室开发的功能强大的电子显微镜中成像。该显微镜向细胞表面发射一束离子，在为每个新暴露的层拍照时将表面一点一点地磨掉。然后，计算机程序将图像拼接在一起以进行3D重建。最后，研究人员叠加了两个显微镜的3D图像数据。结果：令人惊叹的图像以惊人的清晰度揭示了细胞的内部细节。

显微镜下，细胞会说话

细胞器是细胞中最小的功能单位之一，对于不同细胞类型的特征、形态和生化过程起着重要作用。细胞可以说是自然界中最复杂但精密的微型工厂，哪怕是同种类型的细胞，每个细胞所展现出的结构也大有不同。

在生物体内，形态十分不同的各类细胞共同构成了复杂的生命体，然而这些看似千差万别的细胞，就起内在的组织方式而言却有着十分惊人的相似性。因此，明确这些细胞的内部组织模式、理解和预测细胞内组织及其作为细胞表型决定因素的关键作用的模型和规律。不过对单个细胞器进行化学分析还是比较困难的，因为它们的体积小、分析物浓度范围广，且需要复杂的分离步骤，这限制了我们对它们化学多样性的解析。

随着自动化显微镜技术的不断发展，细胞生物学家得以在一天时间内观察并捕获数百甚至数千个活细胞的高分辨率3D图像。比如浆膜腔积液常规细胞学检查是集理化、细胞计数、细胞形态学分析于一体的常规检验技术，其中最有价值的是细胞形态学分析，是一些疾病诊断的“金标准”。

2017版人民卫生出版社《临床血液与体液检验》提出，有条件的医疗机构应该开展浆膜腔积液细胞形态学检查。该检查对疾病诊断、预后及疗效评价有着重要的临床意义。

常见的浆膜腔积液主要是胸水、腹水、心包积液，它们分别来自胸膜腔、腹膜腔、心包腔。胸膜腔由覆盖胸壁内表面和纵膈表面的壁胸膜和覆盖肺脏表面的脏胸膜组成；腹膜腔由覆盖腹壁、盆腔内表面的壁腹膜和覆盖脏器表面的脏腹膜组成；心包腔由衬覆于纤维性心包内面的壁层和衬于心肌层表面的脏层组成。浆膜腔膜由单层扁平上皮细胞构成，与毛细淋巴管相连。正常情况下浆膜分泌起润滑作用的少量液体，以减少脏器间的摩擦，即正常人都有少量胸水、腹水和心包积液。

既然正常人有少量浆膜腔积液，临床为什么会送检胸水、腹水、心包积液？正常情况下，少量浆膜腔积液起到润滑作用。由于构成浆膜的单层扁平上皮细胞的膜较薄，容易受炎症因子、药物、消化液、结核菌素等有害物质的伤害，也极易引起肿瘤细胞及炎性细胞的浸润。因此，病理性浆膜积液不仅量多，而且含有丰富的有形成分，比如肿瘤细胞、寄生虫等，临床可根据浆膜腔积液结果，做出快速的诊断和评估。

显微镜下，脱落细胞经过离心富集，推片染色，肿瘤细胞一来容易找到，二来推片后平铺开来，形态特点得以清楚展现，有经验的检验科医生可以快速准确地回报临床检查结果，初步定性浆膜腔积液良恶性。显微镜下的细胞形态，诉说着细胞的前世今生。