莉莲·弗里茨-莱林正在观察一种以每分钟约10至20微米的速度快速移动的白血病细胞。她正在寻找这些细胞世界中的速度魔王是如何移动的动力秘密，并且她正在通过制作高分辨率的3D微观电影来实现这一点。
“人们长期以来研究慢速细胞是如何移动的……并且[他们]大多认为快速细胞使用相同的机制——只是更快，”加州大学旧金山分校的博士后学者弗里茨-莱林说。但是没有直接证据证实这种假设。因此，她想确切地了解这些快速移动的细胞是如何移动的。
当弗里茨-莱林接受采访时，她正在霍华德·休斯医学研究所的詹妮莉亚农场研究园区工作，在埃里克·贝齐格的实验室工作——埃里克·贝齐格是一位受过训练的物理学家，现在专门从事细胞成像技术的开发。她正在使用贝齐格在2011年推出的一项突破性技术的最新版本，该技术被称为贝塞尔光束平面照明显微镜。结果是令人惊叹的高分辨率3D细胞电影，看起来像是计算机动画师的创作，而不是物理学家的作品。这些影片使细胞看起来像是微小的、有意识的动物，而不是笨拙的液体袋。
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弗里茨-莱林不仅会记录细胞的速度（这可以通过较低分辨率的技术完成）；她还会观察细胞在移动时如何变形，以及其内部结构的流动如何促进运动。从长远来看，她说科学家可能会根据自然细胞运动制造纳米设备，可以将药物输送到体内的特定位置。
然而，贝塞尔光束技术并不是细胞3D电影的唯一选择，也不是分辨率最高的。但是贝齐格说，就空间分辨率和时间分辨率的结合而言，没有其他技术可以与之媲美。他认为他已经找到了变量之间平衡的区域，或者如他所说的，“空间和时间分辨率的甜蜜点”。
“一个非常简单的想法”
这项新技术的基本设置涉及一束光线扫过细胞，像无害的熟食切片机一样，照亮其身体的薄片（内部和外部，因为细胞基本上是透明的）。一个垂直于光线的相机捕获2D切片的图像，这些切片最终被堆叠成3D图像。光线以两种不同的激光颜色在大约一秒钟内扫描细胞体，在此期间拍摄大约200张图像。该机器可以重复此扫描动作数分钟，并且扫描速度足够快，可以跟踪自由环境中活细胞的运动。
使用贝塞尔光束技术，只有相机的聚焦平面被照亮。这与大多数成像技术不同，在这些技术中，整个样本都沐浴在光线中。例如，在传统的显微镜中，样本从上方用全方位的光束照射。在共聚焦显微镜中，焦点平面由一个单独的强光点成像，该光点位于充满样本其余部分的两个光锥之间。多余的光线无助于对样本进行成像；实际上，所有这些明亮的光线都可能很快烧伤细胞并杀死它。
正如贝齐格所称，使用光片来减少细胞损伤的“非常简单”的想法称为平面照明显微镜。它最初是由奥匈化学家和1925年诺贝尔化学奖获得者理查德·阿道夫·齐格蒙迪与德国物理学家海因里希·西登托普在1903年提出的。然后在20世纪90年代，当显微镜科学家开始再次尝试使用它时，它在很大程度上被遗忘了。2004年，马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的简·惠斯肯及其同事发表了一篇论文，建立了结构化平面照明显微镜，或SPIM，此后该领域一直在蓬勃发展。
SPIM对于成像多细胞结构很有用，但是缩小到单个细胞提出了挑战：创建光片的方法是有限的，因此光片越薄，它就越窄。在足以成像细胞的厚度下，光线被减少到一个小点，而不是一个宽阔的片。因此，SPIM片通常仅比单个细胞略薄。能够将细胞切成更薄的片将意味着更高的分辨率。
因此，为了创建一个宽而薄的光片，贝齐格使用了一种叫做贝塞尔光束的东西。如果您曾经使用放大镜生火，您就会知道通过透镜发送光线可以将其聚焦成一个点。透镜实际上会形成一个光漏斗，所有的光子都聚集在颈部。贝塞尔光束使用相同的想法，但是光线仅从外边缘进入透镜。贝塞尔光束不是创建一个具有平坦焦点的光漏斗，而是创建一个细长、聚焦的光束。条形码扫描仪使用贝塞尔光束，因为它们产生的铅笔状光束足够细，可以在条形码的线条之间读取；即便如此，扫描仪激光器也比贝齐格使用的激光器厚得多。
贝齐格技术的最新版本将七个贝塞尔光束并排放置以创建一个“光片”。贝塞尔光束爱好者会知道，除了中心光笔外，贝塞尔光束还会产生越来越暗的光环。整个东西看起来像一个逐渐消失的靶心。那些光环会使图像模糊，但是贝齐格和他的团队已经找到了一种使用破坏性相干性来完全消除光环的方法。
因此，贝塞尔光束可以使用与共聚焦显微镜中使用的光点相同的总通量扫描细胞，但是该通量分布在七个光束之间，并且细胞没有被多余的光线淹没；因此，细胞的损伤速度不会那么快。随着时间的推移，即使是贝塞尔也会开始使其退化，但是到目前为止，如果需要，该团队可以观察单个细胞数小时。
在弗里茨-莱林进行研究的地方附近，贝齐格有另一台仪器可供来访的用户使用。这种仪器称为结构化照明显微镜，SIM，它属于“超分辨率”的范畴。尽管SIM和其他超分辨率技术正在将空间分辨率推高至20纳米，但它们不具有贝塞尔光束显微镜等技术的视野；它们只能看到很小的区域，并且使用这些技术对较大区域进行成像需要很长时间。因此，大多数技术要求细胞是静止或死亡的。贝塞尔光束技术在变量之间取得了不同的平衡：以空间和时间分辨率的甜蜜点对活细胞进行成像。
但这并不是说任何一种技术都一定比另一种更好。加州大学圣地亚哥分校的细胞生物学家斯科特·弗雷泽使用了观看足球比赛的比喻：像贝塞尔光束照明这样的技术就像整个场地的广角视图，而超分辨率技术就像双筒望远镜。“您不会想通过双筒望远镜观看整场比赛，”弗雷泽说，因为您当然无法看到比赛中实际发生的事情。“但是，也许在暂停或围攻期间，当您想看四分卫的脸时，您可以切换到双筒望远镜。” 实际上，细胞生物学家需要一整套成像技术来获得他们想要的答案。任何单一技术都不可能满足所有目的。
分子电影
“我会说这项技术对我们来说就像梦想成真，”范德比尔特大学的细胞生物学研究小组负责人克里斯·詹内托普洛斯说。詹内托普洛斯和他的小组研究盘基网柄菌细胞，该细胞在技术上是单细胞生物，但是当困难时期到来时，它具有加入单个生物的非凡能力，并迁移到食物更丰富的地方。
詹内托普洛斯想确切地了解“网柄菌”细胞在环境变化时如何发生物理变化。研究表明，非常稀有的化学线索可以触发细胞的物理变化，包括重塑质膜和募集细胞骨架机制，从而将网柄菌从一个胖乎乎的、快乐的细胞转变为一个具有明显前后端的细长细胞，准备迁移。网柄菌发生的形态变化也发生在人体内的许多细胞中，包括一种称为中性粒细胞的白细胞。这些是人体中迁移速度最快的细胞，它们是受损位置或感染区域的第一反应者，并开始愈合过程。
使用贝塞尔光束技术，该小组可以对盘基网柄菌进行足够长的成像，以观察细胞的运动，这可能需要一个小时以上，但也可以以高帧速率捕获几秒钟内发生的快速分子变化。“我想起我还是 20 世纪 90 年代后期的研究生时。我们只是能够进行 3D 重建，”詹内托普洛斯说。“我们可以通过拍摄固定（死亡）、静止样本的 z 切片来很好地对事物进行成像。但是，我当时的一个梦想是对活的、运动的细胞进行实时 3D 成像。我认为他们的显微镜几乎可以做到这一点。”
詹内托普洛斯的工作尚未发表，但3月22日出版的《科学》杂志刊登了斯坦福大学由罗尔·努斯领导的一个研究小组利用贝塞尔光束技术所做的研究。该小组研究了一种名为 Wnt 的蛋白质是如何被认为维持胚胎干细胞的自我更新的。存在一整类在胚胎发育、干细胞维持、组织再生、骨骼生长、干细胞分化和许多人类癌症中起重要作用的 Wnt 蛋白。当胚胎干细胞分裂时，它们的子细胞可能会变成执行更特定功能的非胚胎干细胞。但是在特定的 Wnt 蛋白存在下，子细胞中似乎有更多的胚胎干细胞。
3D 细胞分裂： 使用贝塞尔光束平面照明成像的细胞分裂阶段，通常在二维中看到：染色体显示为橙色，微管显示为绿色。贝塞尔光束技术在 Z 轴上提供高空间分辨率，从而提供详细的 3D 电影。来源：梁高和埃里克·贝齐格，詹妮莉亚农场
斯坦福的研究小组想要确切地了解这种关系是如何发挥作用的。努斯的团队的博士后研究员舒克里·哈比卜开发了一种微型珠子，它可以附着在 Wnt（特别是 Wnt3a 蛋白）上，并追踪它的运动和方向。借助贝齐格的技术，他观察到细胞分裂，并可以精确地测量细胞在 Wnt 蛋白存在下的方向。利用贝塞尔光束，研究人员观察了 Wnt 如何影响细胞的结构成分，这些成分决定了分裂轴的出现位置。哈比卜说，这是他所见过的胚胎干细胞分裂的最佳分辨率影像。他补充说，当他在会议上展示这些影片时，“我可以听到（观众中的）人们说‘哇’——他们感到非常着迷”，并且想知道如何与贝齐格取得联系。
使用贝塞尔光束技术的科学家们仍然有愿望清单：例如更快的帧率、更好的 3D 效果和更厚的样本。另一种用于 3D 细胞成像的流行技术，称为旋转盘共聚焦显微镜，其成像样本的时间远不如贝齐格的技术，但它仍然更适合对厚细胞和组织进行成像。而且目前，它也更容易获得。贝齐格说，贝塞尔光束平面照明显微镜已“准备好”商业化。现在他将不得不等待一家想要制造它的公司。贝齐格认为他的新设备已经达到了最佳状态；只有时间才能证明它究竟有多么出色。