顯微鏡的觀察方法-顯微鏡的觀察方法是什么

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病毒通常被稱為“看不見的敵人”，我們無法用肉眼看見它們，甚至在標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡下也無法看見它們。在這種情況下，研究人員要如何才能知曉它們的存在？了解它們的特征與樣貌呢？

一些生物化學(xué)方法會(huì)通過尋找病毒的遺傳物質(zhì)來確認(rèn)病毒的存在，比如現(xiàn)在用來確認(rèn)是否感染了SARS-CoV-2（COVID-19的致病病毒）所使用的就是這種方法。但除此之外，生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中還有很多種不同的方法可用來“看見”病毒。

要了解這些方法，我們首先需要了解，病毒究竟有多小。大多數(shù)細(xì)胞的直徑約為100微米，也就是0.1毫米左右；而病毒的大小約是這個(gè)數(shù)字的1/1000，平均大約為150納米（0.00015毫米）。

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光學(xué)顯微鏡

在標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡下（10倍放大），健康的人體肺細(xì)胞（左）與被病毒感染的細(xì)胞之間的區(qū)別。| 圖片來源：Grace C Roberts

標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)顯微鏡足以讓我們能清楚地看到細(xì)胞。然而，由于受到光本身的限制，光學(xué)顯微鏡并不能用于觀察病毒，因?yàn)樗鼰o法顯示任何小于可見光波長一半的事物，而病毒的大小顯然比這要小得多。

盡管無法直接看到病毒，但通過光學(xué)顯微鏡，我們可以看到病毒對細(xì)胞造成的破壞。這種現(xiàn)象被稱為致細(xì)胞病變效應(yīng)，通過將受感染的和未受感染的細(xì)胞進(jìn)行對比，就可以檢測到病毒的存在。

根據(jù)光學(xué)顯微鏡對SARS-CoV-2的初步研究來看，SARS-CoV-2能將受感染的細(xì)胞融合在一起，形成合胞體——這是一種含有多個(gè)細(xì)胞核的大細(xì)胞。此前，其他幾種呼吸道病毒也曾表現(xiàn)出過這樣的現(xiàn)象。

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免疫熒光法

免疫熒光圖像顯示肺毛發(fā)（粉色）、肺細(xì)胞核（藍(lán)色）和病毒顆粒（綠色）。| 圖片來源：Grace C Roberts

用熒光分子來標(biāo)記病毒，是一種使病毒可視化的間接方法。當(dāng)病毒吸收特定的輻射時(shí)，就會(huì)發(fā)出熒光。我們甚至可以用不同的顏色來標(biāo)記多個(gè)對象，比如病毒和細(xì)胞成分，這樣一來我們就能同時(shí)追蹤多個(gè)部分。

接著，研究人員就能通過檢測標(biāo)記物所發(fā)出的熒光，來追蹤病毒進(jìn)入細(xì)胞的位置，以及它們會(huì)與什么樣的細(xì)胞結(jié)構(gòu)相互作用。這種方法能讓研究人員了解諸如藥物會(huì)如何影響病毒的復(fù)制，以及不同的毒株具有如何不同的行為等問題。

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超分辨率顯微術(shù)

在普通的高分辨率熒光顯微鏡（左）和經(jīng)過了超分辨率處理（右）的骨癌細(xì)胞核圖像。| 圖片來源：Christoph Cremer/Wikimedia Commons

近年來，在熒光顯微鏡領(lǐng)域的一些新的進(jìn)展導(dǎo)致了超分辨率顯微術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)通過將物理學(xué)和計(jì)算方法相結(jié)合，產(chǎn)生了清晰到可以揭示細(xì)胞中的詳盡結(jié)構(gòu)的圖像。

使用這種病毒學(xué)技術(shù)可以更準(zhǔn)確地確定受感染細(xì)胞的區(qū)域。例如，它可以精確地顯示病毒在細(xì)胞內(nèi)的位置，以及用于復(fù)制病毒的是細(xì)胞中的哪些特定部分。

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電子顯微術(shù)

電子顯微鏡下的SARS-CoV-2病毒顆粒，直徑約在150-200納米之間。| 圖片來源：Liu et al.

到目前為止，我們還沒有提到任何能直接將病毒粒子可視化的技術(shù)。而電子顯微鏡就具有這樣的強(qiáng)大功能，它能在納米尺度上生成圖像。電子顯微術(shù)會(huì)通過向樣品發(fā)射電子，然后觀察電子是如何與樣本相互作用來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。接著，計(jì)算機(jī)會(huì)將這些信息加以解讀，生成圖像。

這使我們能夠直觀地掌握細(xì)胞內(nèi)病毒感染的不同階段。此外，電子顯微術(shù)也可以用來顯示整個(gè)病毒顆粒，就像圖中所示的那樣。研究人員可以通過對數(shù)千個(gè)從不同方向生成的顆粒圖像進(jìn)行計(jì)算和組合，勾勒出整個(gè)病毒粒子的三維結(jié)構(gòu)，例如圖片中顯示的就是SARS-CoV-2病毒顆粒的三維電子顯微鏡圖像。

電子顯微鏡已被用于確定SARS-CoV-2病毒是如何利用其外部的突起蛋白與細(xì)胞相互作用并感染它們的。這樣的研究對于弄清楚病毒是如何進(jìn)入細(xì)胞是非常有用的，由此可以幫助研究人員弄清要如何使用藥物來阻斷它們。

能夠評估病毒顆粒的外部結(jié)構(gòu)，對于確定哪些抗體可以中和病毒來說是一個(gè)非常重要的能力，這有助于更精確、更有效的疫苗制備。

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晶體學(xué)

諾瓦克病毒衣殼的X射線晶體結(jié)構(gòu)。| 圖片來源：BV Prasad et al

晶體學(xué)使我們能夠在原子水平上更清楚地觀察微觀結(jié)構(gòu)。要做到這一點(diǎn)，首先需要確保的是在溶液中懸浮著一個(gè)“純正”的病毒樣本，這意味著沒有其他的碎片存在。懸浮液中的液體會(huì)蒸發(fā)，使剩下的包括病毒在內(nèi)的固體結(jié)晶，它們會(huì)以統(tǒng)一的方式排列形成晶體，然后暴露在X射線下。

接著，我們可以用探測器來記錄X射線在結(jié)晶樣品中的衍射行為，從而識別出電子在樣品結(jié)構(gòu)中所處的位置。這些信息可被用來構(gòu)建一個(gè)原子尺度的樣品三維結(jié)構(gòu)圖。

與電子顯微鏡一樣，晶體學(xué)也能用來確定病毒的結(jié)構(gòu)，如SARS-CoV-2的突起蛋白。了解這些結(jié)構(gòu)，尤其是了解它們會(huì)如何與細(xì)胞以及抗體相互作用，對于疫苗和藥物的設(shè)計(jì)與開發(fā)至關(guān)重要。

撰文：Grace C Roberts （貝爾法斯特女王大學(xué)病毒學(xué)研究員）

原文標(biāo)題為“Five techniques we’re using to uncover the secrets of viruses”，于2020年8月26日首發(fā)于The Conversation

原文鏈接：https://theconversation.com/five-techniques-were-using-to-uncover-the-secrets-of-viruses-144363

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