过去，人们对生物样品进行成像观察时，通常将悬浮细胞用化学试剂固定在盖玻片上，或者通过离心力迫使细胞沉淀。这样非自然的受力状态会造成不可逆的影响，不仅使细胞难以恢复自然悬浮状态，甚至干扰其正常的生理机能。

光镊切片显微术的出现完美解决了这一问题。近日，中国科学院西安光学精密机械研究所（以下简称西安光机所）研究员徐孝浩、姚保利团队创新性地将光镊操控与光学成像技术结合起来，研制出光镊切片显微术。

这项技术全程借助光束实现对细胞的捕获、组装以及成像，不仅为悬浮细胞三维观测提供了一种全光式、无侵害的技术手段，也为光镊技术开拓了新的应用方向。相关成果发布在《科学进展》（Science Advances）。

悬浮细胞三维高清“抓”拍

光学切片（Optical Sectioning,OS）能够有效分离光学成像过程中的离焦信号而提取在焦信号，是解析细胞三维结构和厚组织深层形态的重要工具，其实现方法包括共聚焦、双光子、光片、结构光照明显微等技术。

然而，这些技术依赖对样品的机械式固定或粘附，难以适用于悬浮运动目标，限制了其在悬浮细胞原位观测中的应用。此外，人工固定方法存在干扰细胞正常生理机能的风险。

“从细胞功能来看，免疫细胞在被固定后，其细胞膜上的受体活性会显著下降，原本能快速识别并结合抗原的能力被抑制。从观察效果来看，固定后的细胞处于非自然的受力状态，容易发生形态变形。”徐孝浩举例说，当红细胞被固定在载玻片上时，其特有的双凹圆盘形态会因玻片压力发生显著改变——中央凹陷被压平，进而导致直径、厚度等关键形态参数失真。“这种形态失真会直接干扰对红细胞真实变形能力的判断与分析。”

徐孝浩回忆，课题组很早就想到了光镊与光切片显微这两项技术结合的思路，但在研究初期发现传统的光镊并不能满足显微成像对于细胞样品定位精度的要求，尤其是难以克服布朗运动导致的细胞旋转运动。

西安光机所研究员姚保利（左）和博士生李星（右）在实验室。受访者供图

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转机出现在团队近年关于光镊基础理论的系列研究进展，他们发现了空间结构化光场可提供相较于点状光镊更高的空间束缚性能。因此团队独辟蹊径，采用各向异性的瓣状光镊捕获生物细胞，它能将细胞的布朗运动平动限制在数十纳米范围内，并且旋转角小于1度。

在解决了细胞定位精度的关键问题之后，团队进一步结合课题组在光学显微成像和微操纵方面的长年积累经验，成功实现了这类新型光镊和光切片显微的功能集成，最终研制出光镊切片显微术的设备平台。

姚保利解释说，光镊切片显微术简单来说，它用激光镊子“抓住”悬浮的细胞，同时以“切片”方式逐层查看细胞内部并滤除离焦信号，最终实现无需机械接触的三维高清成像。

为生命科学研究带来全新可能

悬浮细胞观测技术通过避免传统贴壁培养导致的细胞生理失真问题，为生命科学研究提供了更接近体内真实环境的观测手段。未来，技术将主要用于悬浮细胞的精准操控和高清成像，有望应用于各类微米级细胞的三维形态病理检测。

这项技术除了实现了对细胞自然状态的真实还原外，也拓展了研究对象的范围，让更多类型的细胞得以深入研究。比如，血液中的红细胞、白细胞，淋巴液中的淋巴细胞等原本难以用粘附方式研究的细胞，如今能被清晰观察。

同时，能够更准确地获取细胞的形态和结构信息。由于细胞处于自然悬浮状态，不会因外界压力而变形，测量的形态参数更加可靠。以酵母细胞为例，通过悬浮观测，其直径、椭圆率等参数能被精确测量，有助于研究者更深入地了解酵母细胞在不同生长阶段的形态变化规律。

此外，该技术还为研究细胞间的相互作用提供了可能。悬浮观测技术可以同时捕获多个细胞并让它们在自然状态下相互接触，便于观察细胞间信号传递、物质交换等过程。例如，在研究肿瘤细胞与免疫细胞的相互作用时，能清晰呈现免疫细胞的识别攻击与肿瘤细胞的逃避过程，这对揭示肿瘤免疫逃逸机制具有重要意义。

只能在后半夜做的实验

在实验过程中，团队也遇到了一些棘手的问题。据团队成员、论文第一作者李星回忆，实验要求悬浮细胞的定位精度达到几十纳米，但实验室里人员走动、外面车辆经过带来的振动，都会严重影响结果。

“没办法，只能在后半夜，凌晨一点到五点是实验室周围环境最安静的时候，振动几乎可以忽略。”那段时间，每当大家都下班回家，实验室没人的时候，团队成员就会关闭实验室内的设备和风扇，在非常安静的环境里反复实验。在持续一周的攻关后，团队终于拿到了理想数据。

在对样品进行选择时，团队也遭遇了一些曲折。李星回忆说，实验需要找到既能悬浮又能进行荧光标记的细胞。一开始，团队成员试着自己动手给酵母细胞染色，结果荧光亮度不够，还特别容易被激光漂白。后来团队成员查了很多资料，找到一种商用生物样品，经过实验，它的荧光强度和抗光漂白能力都正好符合实验需求，这才解决了问题。

科研团队合影。受访者供图

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展望未来，团队期望实现更高清的超分辨成像，将分辨率推进到100纳米精度，以期满足不同研究对细节和视野的需求。同时，希望推动生物医学成像从“可观察”向“可观察-可操控”的路径转变，为疾病研究和药物开发提供更实用的工具。

相关论文信息：https:// doi.org/10.1126/sciadv.adx3900