西班牙科学家展示了一种细胞外囊泡的新型全息荧光成像方法

全息摄影技术以记录物体散射光的干涉图样并产生3D图像（全息图）的能力而闻名。这个简单的光学实验记录下电场的振幅以及通常不可见的相位，可用于在所有3D层面同时定位许多单个粒子。

全息摄影技术在生物学上不那么普遍。生物学上将灵敏度、分辨率和特异性结合在一起的最合适的技术是荧光成像，它广泛用于活细胞成像。如果能将荧光显微镜与全息摄影技术结合起来，从而检索出细胞内荧光标记实体的完整3D分布，那将是非常奇妙的。不幸的是，荧光通常是不相干的，光程长度和相位记忆很短，荧光干扰会使得产生全息图的参考波变得复杂。

近日，西班牙巴塞罗那佛罗伦萨科学技术研究所（ICFO）的研究人员Matz Liebel和Jaime Ortega-Arroyo展示了一种全息荧光成像方法，他们是ICFO Niek van Hulst和Romain Quidant的ICREA教授小组的成员。在这项研究中，研究人员实施了消除参考波的方案。取而代之的是，他们使用每个横向光子的本征相位信息，通过一种称为横向剪切干涉法的技术来访问其相位。从本质上讲，研究人员不是直接测量相位，而是使用CMOS相机测量了宽视场中与位置有关的相位变化。接下来，研究人员在计算上整合了此信息，以单分子敏感性恢复了荧光的整个电场。该新颖方案通过消除对相位循环的需求，将数字全息摄影技术的原理扩展到了快速荧光检测，并能够以15 nm的面内分辨率和8微米的z范围对单个纳米粒子进行3D跟踪。

然后，Liebel和Ortega-Arroyo与位于波士顿麻省总医院的Hakho Lee团队合作，对活细胞内的细胞外囊泡（EVs）的3D运动进行成像和跟踪。研究人员解决了近乎各向同性的3D扩散以及定向传输问题。有趣的是，对于扩展的观察窗，他们观察到了向各向异性运动的过渡，其中EV在轴向上沿水平方向的长距离传输。

荧光全息摄影技术与目前的超分辨率技术直接兼容，并且同样非常适合其他体积样本的成像，例如组织中的跟踪或钙成像。这项工作最近发表在《Science Advances》上。

参考文献：

1. https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-11/iiop-hfi112720.php

2. 3D tracking of extracellular vesicles by holographic fluorescence imaging. Sci Adv 6(45):eabc2508.