三维细胞成像技术，尤其是针对悬浮活细胞的成像，正迎来一场技术革新的浪潮。这一领域的快速发展，为我们深入理解细胞结构和动态行为提供了前所未有的机遇。传统的细胞成像方法，常常依赖于将细胞固定在基质上，或者采用机械扫描的方式，这不仅限制了其在悬浮细胞研究中的应用，还可能对细胞造成不必要的应激反应，从而影响实验结果的准确性。为了克服这些局限，研究人员正积极探索非接触式、全息的三维成像技术，力求实现对活细胞的高分辨率、无损伤观察。Technology Networks 近期的一篇报道，详细阐述了这些新兴技术的发展现状和应用前景。
悬浮细胞成像的挑战与创新解决方案
长期以来，对悬浮细胞进行精确的三维成像一直是一个难题。传统的显微镜技术在处理这类细胞时，往往面临着细胞漂移、无法准确定位以及细胞损伤等问题。为了解决这些挑战，各种创新技术应运而生。其中，光学镊子切片显微镜 (Optical Tweeze-Sectioning Microscopy, HOTS) 的开发无疑是一项重要的突破。HOTS 技术巧妙地利用光学镊子的力量，对悬浮细胞进行精准的几何捕获，将其固定在特定的空间位置，从而实现三维成像。这项技术能够精确地将酵母细胞捕获成各种形状，如六边形、五边形和环状结构，并获得清晰的三维图像，将操作和重建过程完美地整合在一起。HOTS 在三维成像中的关键作用，在于它克服了传统光学切片技术对样本粘附和机械扫描的依赖，极大地拓展了三维细胞成像的应用范围。
除了 HOTS 技术，其他技术也在不断涌现，为提升三维活细胞成像能力注入新的活力。例如，将全息光学镊子与层析干涉术相结合的方法，能够实现对悬浮细胞的快速三维折射率成像，而且无需进行标记。这种无标记成像方法对于改善从人体液体（如血液）中提取细胞的分析和分类等临床程序具有重要意义，因为它避免了标记过程可能对细胞造成的干扰。光片荧光显微镜 (Light-Sheet Fluorescence Microscopy, LSFM) 也因其快速成像活细胞的能力而备受关注。与传统的荧光显微镜技术相比，LSFM 能够快速地对活细胞进行三维成像，同时显著减少光毒性，并提高成像效率。在 CAR-T 细胞介导的免疫治疗研究中，LSFM 被广泛应用于观察和分析 CAR-T 细胞与肿瘤细胞之间的相互作用，为理解免疫细胞如何攻击癌细胞提供了重要的可视化信息。
微流控技术与无标记成像的融合
微流控技术与三维成像技术的结合，为活细胞研究开辟了新的平台。研究人员已经开发出集成了三维培养、清场和活细胞成像于一体的微流控芯片。通过在芯片上进行组织清场处理，可以显著提高组织的光穿透性，从而实现对三维细胞培养物的实时观察。这种芯片能够模拟细胞在体内的微环境，为研究细胞行为提供了更真实的环境。此外，声学微流控技术也被用于研究悬浮细胞的三维运动轨迹。通过测量细胞在声学聚焦下的三维轨迹，可以深入了解细胞的物理特性和行为，例如细胞的迁移速度、方向性和细胞间的相互作用力。
无标记成像技术在三维活细胞成像领域扮演着至关重要的角色。传统的成像方法通常需要对细胞进行标记，但这可能会干扰细胞的正常生理功能，例如影响细胞的代谢、生长和分化。因此，研究人员正在积极探索无标记成像技术，例如基于折射率成像的方法，以实现对活细胞进行快速、三维和无损伤的观察。这些技术利用细胞自身的物理特性，如折射率、散射特性等，来生成图像，避免了使用外源性标记物，从而最大限度地减少了对细胞的干扰。光学相干断层扫描 (OCT) 技术也正在被应用于三维活细胞成像。通过结合光热效应，研究人员成功地实现了对活细胞进行三维成像，并能够检测和绘制单个细胞的位置，而不会对其造成损伤。光学投影断层扫描 (OPT) 作为一种定量成像工具，也已被开发出来，并成功应用于研究细胞的三维结构和功能。这些无标记成像技术为研究人员提供了更真实、更可靠的细胞信息。
深度学习助力三维细胞成像
为了进一步提升成像效率和数据分析能力，深度学习技术也开始应用于三维细胞成像领域。例如，VONet 是一种基于深度学习的系统，专门用于三维类器官的渲染。它利用全卷积神经网络来重建整个三维结构，从而实现对类器官形态的精确分析。类器官是一种在体外培养的三维细胞结构，能够模拟体内器官的结构和功能，是研究疾病发生机制和药物筛选的重要模型。VONet 等深度学习工具能够自动分析类器官的复杂结构，为研究人员节省大量时间和精力。此外，实时活细胞成像技术作为一种快速、用户友好且高通量筛选策略，被用于验证药物的体内效应。通过实时监测细胞对药物的反应，研究人员可以快速筛选出具有治疗潜力的药物。
总而言之，三维活细胞成像技术正处于一个快速发展的时期。从光学镊子切片显微镜到光片荧光显微镜，从微流控芯片到深度学习算法，各种创新技术的涌现，正在推动我们对细胞世界的理解不断深入。这些技术不仅能够帮助我们更好地了解细胞的结构和动态，还能够为疾病诊断和治疗提供新的思路和方法。未来，随着技术的不断发展，三维活细胞成像技术将在生物医学领域发挥更加重要的作用，例如在药物开发、疾病诊断、个性化医疗等方面。我们有理由相信，在不久的将来，三维活细胞成像技术将成为生命科学研究中不可或缺的重要工具。
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