莉蓮·弗裡茨-萊林正在觀察一種以每分鐘約10至20微米的速度快速移動的白血病細胞。她正在尋找這些細胞世界中的速度魔王是如何移動的動力秘密，並且她正在透過製作高解析度的3D微觀電影來實現這一點。
“人們長期以來研究慢速細胞是如何移動的……並且[他們]大多認為快速細胞使用相同的機制——只是更快，”加州大學舊金山分校的博士後學者弗裡茨-萊林說。但是沒有直接證據證實這種假設。因此，她想確切地瞭解這些快速移動的細胞是如何移動的。
當弗裡茨-萊林接受採訪時，她正在霍華德·休斯醫學研究所的詹妮莉亞農場研究園區工作，在埃裡克·貝齊格的實驗室工作——埃裡克·貝齊格是一位受過訓練的物理學家，現在專門從事細胞成像技術的開發。她正在使用貝齊格在2011年推出的一項突破性技術的最新版本，該技術被稱為貝塞爾光束平面照明顯微鏡。結果是令人驚歎的高解析度3D細胞電影，看起來像是計算機動畫師的創作，而不是物理學家的作品。這些影片使細胞看起來像是微小的、有意識的動物，而不是笨拙的液體袋。
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弗裡茨-萊林不僅會記錄細胞的速度（這可以透過較低解析度的技術完成）；她還會觀察細胞在移動時如何變形，以及其內部結構的流動如何促進運動。從長遠來看，她說科學家可能會根據自然細胞運動製造奈米裝置，可以將藥物輸送到體內的特定位置。
然而，貝塞爾光束技術並不是細胞3D電影的唯一選擇，也不是解析度最高的。但是貝齊格說，就空間解析度和時間解析度的結合而言，沒有其他技術可以與之媲美。他認為他已經找到了變數之間平衡的區域，或者如他所說的，“空間和時間解析度的甜蜜點”。
“一個非常簡單的想法”
這項新技術的基本設定涉及一束光線掃過細胞，像無害的熟食切片機一樣，照亮其身體的薄片（內部和外部，因為細胞基本上是透明的）。一個垂直於光線的相機捕獲2D切片的影像，這些切片最終被堆疊成3D影像。光線以兩種不同的雷射顏色在大約一秒鐘內掃描細胞體，在此期間拍攝大約200張影像。該機器可以重複此掃描動作數分鐘，並且掃描速度足夠快，可以跟蹤自由環境中活細胞的運動。
使用貝塞爾光束技術，只有相機的聚焦平面被照亮。這與大多數成像技術不同，在這些技術中，整個樣本都沐浴在光線中。例如，在傳統的顯微鏡中，樣本從上方用全方位的光束照射。在共聚焦顯微鏡中，焦點平面由一個單獨的強光點成像，該光點位於充滿樣本其餘部分的兩個光錐之間。多餘的光線無助於對樣本進行成像；實際上，所有這些明亮的光線都可能很快燒傷細胞並殺死它。
正如貝齊格所稱，使用光片來減少細胞損傷的“非常簡單”的想法稱為平面照明顯微鏡。它最初是由奧匈化學家和1925年諾貝爾化學獎獲得者理查德·阿道夫·齊格蒙迪與德國物理學家海因裡希·西登託普在1903年提出的。然後在20世紀90年代，當顯微鏡科學家開始再次嘗試使用它時，它在很大程度上被遺忘了。2004年，馬克斯·普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所的簡·惠斯肯及其同事發表了一篇論文，建立了結構化平面照明顯微鏡，或SPIM，此後該領域一直在蓬勃發展。
SPIM對於成像多細胞結構很有用，但是縮小到單個細胞提出了挑戰：建立光片的方法是有限的，因此光片越薄，它就越窄。在足以成像細胞的厚度下，光線被減少到一個小點，而不是一個寬闊的片。因此，SPIM片通常僅比單個細胞略薄。能夠將細胞切成更薄的片將意味著更高的解析度。
因此，為了建立一個寬而薄的光片，貝齊格使用了一種叫做貝塞爾光束的東西。如果您曾經使用放大鏡生火，您就會知道透過透鏡傳送光線可以將其聚焦成一個點。透鏡實際上會形成一個光漏斗，所有的光子都聚集在頸部。貝塞爾光束使用相同的想法，但是光線僅從外邊緣進入透鏡。貝塞爾光束不是建立一個具有平坦焦點的光漏斗，而是建立一個細長、聚焦的光束。條形碼掃描器使用貝塞爾光束，因為它們產生的鉛筆狀光束足夠細，可以在條形碼的線條之間讀取；即便如此，掃描器雷射器也比貝齊格使用的雷射器厚得多。
貝齊格技術的最新版本將七個貝塞爾光束並排放置以建立一個“光片”。貝塞爾光束愛好者會知道，除了中心光筆外，貝塞爾光束還會產生越來越暗的光環。整個東西看起來像一個逐漸消失的靶心。那些光環會使影像模糊，但是貝齊格和他的團隊已經找到了一種使用破壞性相干性來完全消除光環的方法。
因此，貝塞爾光束可以使用與共聚焦顯微鏡中使用的光點相同的總通量掃描細胞，但是該通量分佈在七個光束之間，並且細胞沒有被多餘的光線淹沒；因此，細胞的損傷速度不會那麼快。隨著時間的推移，即使是貝塞爾也會開始使其退化，但是到目前為止，如果需要，該團隊可以觀察單個細胞數小時。
在弗裡茨-萊林進行研究的地方附近，貝齊格有另一臺儀器可供來訪的使用者使用。這種儀器稱為結構化照明顯微鏡，SIM，它屬於“超解析度”的範疇。儘管SIM和其他超解析度技術正在將空間解析度推高至20奈米，但它們不具有貝塞爾光束顯微鏡等技術的視野；它們只能看到很小的區域，並且使用這些技術對較大區域進行成像需要很長時間。因此，大多數技術要求細胞是靜止或死亡的。貝塞爾光束技術在變數之間取得了不同的平衡：以空間和時間解析度的甜蜜點對活細胞進行成像。
但這並不是說任何一種技術都一定比另一種更好。加州大學聖地亞哥分校的細胞生物學家斯科特·弗雷澤使用了觀看足球比賽的比喻：像貝塞爾光束照明這樣的技術就像整個場地的廣角檢視，而超解析度技術就像雙筒望遠鏡。“您不會想透過雙筒望遠鏡觀看整場比賽，”弗雷澤說，因為您當然無法看到比賽中實際發生的事情。“但是，也許在暫停或圍攻期間，當您想看四分衛的臉時，您可以切換到雙筒望遠鏡。” 實際上，細胞生物學家需要一整套成像技術來獲得他們想要的答案。任何單一技術都不可能滿足所有目的。
分子電影
“我會說這項技術對我們來說就像夢想成真，”範德比爾特大學的細胞生物學研究小組負責人克里斯·詹內託普洛斯說。詹內託普洛斯和他的小組研究盤基網柄菌細胞，該細胞在技術上是單細胞生物，但是當困難時期到來時，它具有加入單個生物的非凡能力，並遷移到食物更豐富的地方。
詹內託普洛斯想確切地瞭解“網柄菌”細胞在環境變化時如何發生物理變化。研究表明，非常稀有的化學線索可以觸發細胞的物理變化，包括重塑質膜和募集細胞骨架機制，從而將網柄菌從一個胖乎乎的、快樂的細胞轉變為一個具有明顯前後端的細長細胞，準備遷移。網柄菌發生的形態變化也發生在人體內的許多細胞中，包括一種稱為中性粒細胞的白細胞。這些是人體中遷移速度最快的細胞，它們是受損位置或感染區域的第一反應者，並開始癒合過程。
使用貝塞爾光束技術，該小組可以對盤基網柄菌進行足夠長的成像，以觀察細胞的運動，這可能需要一個小時以上，但也可以以高幀速率捕獲幾秒鐘內發生的快速分子變化。“我想起我還是 20 世紀 90 年代後期的研究生時。我們只是能夠進行 3D 重建，”詹內託普洛斯說。“我們可以透過拍攝固定（死亡）、靜止樣本的 z 切片來很好地對事物進行成像。但是，我當時的一個夢想是對活的、運動的細胞進行即時 3D 成像。我認為他們的顯微鏡幾乎可以做到這一點。”
詹內託普洛斯的工作尚未發表，但3月22日出版的《科學》雜誌刊登了斯坦福大學由羅爾·努斯領導的一個研究小組利用貝塞爾光束技術所做的研究。該小組研究了一種名為 Wnt 的蛋白質是如何被認為維持胚胎幹細胞的自我更新的。存在一整類在胚胎髮育、幹細胞維持、組織再生、骨骼生長、幹細胞分化和許多人類癌症中起重要作用的 Wnt 蛋白。當胚胎幹細胞分裂時，它們的子細胞可能會變成執行更特定功能的非胚胎幹細胞。但是在特定的 Wnt 蛋白存在下，子細胞中似乎有更多的胚胎幹細胞。
3D 細胞分裂： 使用貝塞爾光束平面照明成像的細胞分裂階段，通常在二維中看到：染色體顯示為橙色，微管顯示為綠色。貝塞爾光束技術在 Z 軸上提供高空間解析度，從而提供詳細的 3D 電影。來源：梁高和埃裡克·貝齊格，詹妮莉亞農場
斯坦福的研究小組想要確切地瞭解這種關係是如何發揮作用的。努斯的團隊的博士後研究員舒克里·哈比卜開發了一種微型珠子，它可以附著在 Wnt（特別是 Wnt3a 蛋白）上，並追蹤它的運動和方向。藉助貝齊格的技術，他觀察到細胞分裂，並可以精確地測量細胞在 Wnt 蛋白存在下的方向。利用貝塞爾光束，研究人員觀察了 Wnt 如何影響細胞的結構成分，這些成分決定了分裂軸的出現位置。哈比卜說，這是他所見過的胚胎幹細胞分裂的最佳解析度影像。他補充說，當他在會議上展示這些影片時，“我可以聽到（觀眾中的）人們說‘哇’——他們感到非常著迷”，並且想知道如何與貝齊格取得聯絡。
使用貝塞爾光束技術的科學家們仍然有願望清單：例如更快的幀率、更好的 3D 效果和更厚的樣本。另一種用於 3D 細胞成像的流行技術，稱為旋轉盤共聚焦顯微鏡，其成像樣本的時間遠不如貝齊格的技術，但它仍然更適合對厚細胞和組織進行成像。而且目前，它也更容易獲得。貝齊格說，貝塞爾光束平面照明顯微鏡已“準備好”商業化。現在他將不得不等待一家想要製造它的公司。貝齊格認為他的新裝置已經達到了最佳狀態；只有時間才能證明它究竟有多麼出色。