迄今为止，科学家们一直依赖荧光显微镜技术来研究细胞内的货物运输，这是维持细胞基本功能的一个重要过程。然而，由于光漂白的影响以及细胞特征与周围环境的视觉隔离，限制了这种方法收集有关这一过程及其如何在拥挤的细胞环境中进行的信息的能力。

基础科学研究所分子光谱与动力学中心（IBS CMSD）的研究人员与韩国高丽大学合作，开发了一种无标记的货物追踪显微镜技术，以应对这些挑战。货物定位干涉散射（CL-iSCAT）显微镜可实现对亚微米细胞环境中货物运输的无标记实时观察，使研究人员能够选择性地监测活细胞内活性货物的动态运动。

利用首尔及其周边地区的道路网络绘制的蜂窝状交通模式示意图。基础科学研究所提供。

CL-iSCAT 不追求使用荧光团的化学对比，而是利用运输货物的动态特征将货物与其他细胞质物体区分开来。它采用时差图像分析法，可在较长时间内同时精确跟踪数百个载体的运动。它通过检测沿细胞骨架轨迹定向移动的各类小体的散射信号来收集数据。

为了识别细胞囊泡并了解它们如何出现在 iSCAT 显微系统中，研究人员给细胞喂入了 20 纳米的荧光聚苯乙烯珠，并同时用荧光显微镜和 iSCAT 显微镜观察它们。

这种无标记的 iSCAT 货物追踪方法不仅揭示了货物运输的动态，还揭示了积极使用的细胞骨架高速公路的精细结构以及相关运输的长期演变。

在大约 30 分钟的观察时间内，研究人员从所有货物位置获取了大量定位数据。这使研究小组能够重建细胞骨架网的结构，并以高空间分辨率直观地观察细胞内交通的时间演变。

CL-iSCAT具有双模式系统，将荧光成像与iSCAT显微镜整合在一起，可分别观察特异标记的货物或亚细胞结构，以及沿微管网络移动的未标记货物。CL-iSCAT 可提供分辨率低至 15 纳米的无标记载体图像。

"CMSD主任、共同领导CL-iSCAT工作的Minhaeng Cho教授说："通过实现独立于荧光的超高分辨率观察活细胞，我们建立了一个新的范例，用于阐明生物过程的复杂细节。

使用 CL-iSCAT 显微镜观察细胞内货物运输。每张图片都描述了细胞瓣膜区货物运输的演变过程，以 50 Hz 的频率追踪了 180 秒（相当于 9000 帧）。货物运输图中的彩色图例代表了 180 秒内每个像素点上的移动货物数量，从而提供了有关细胞细胞骨架上货物运输密度的定量信息。黄色虚线表示细胞边界。基础科学研究所提供。

研究人员观察到，细胞本身具有高效的运输策略，可以通过形成一列货物列车或集体朝同一方向移动来避免细胞内的 "交通堵塞"。研究人员观察到，在短时间内，货物运输似乎纠缠在一起，停滞不前；但在长时间内，货物则作为一个集体集群移动。在某些情况下，两件或更多的货物直接相连并一起移动。这些实验有力地支持了搭便车进行细胞内运输的假说，这是细胞用来提高货物整体运输速率的一种策略。

研究人员进一步观察到，细胞交通与日常生活中遇到的现实道路交通如出一辙。就像人们在上下班高峰期上班一样，细胞也会遇到堵塞和障碍，阻碍货物的运输，包括可能与其他货物迎面相撞，以及在细胞骨架高速公路的交叉口突然停车。

"Cho说："在高度复杂的细胞世界中发现城市通勤者经历的几种典型交通事件，而且是在微米尺度上发生的，这尤其令人着迷。"未来，我们的目标是深入研究细胞为克服交通中的这些挑战而采取的高效运输策略及其与细胞现象的相关性"。

A) 细胞内局部区域细胞骨架交汇处的交通堵塞。该图捕捉到的交通拥堵事件表现为货物拥挤和流动性受抑制。(左图）静态背景去除（SBR-）iSCAT。(右图）时差（TD-）iSCAT 成像技术。值得注意的是，SBR-iSCAT 图像中的亮点和暗点（用黄色圆圈标出）都与 TD-iSCAT 图像中观察到的动态货物相对应。在 TD-iSCAT 图像的红色圆圈内，一组货物出现了瓶颈。B) 在 9000 幅连续的 SBR-iSCAT 图像中，共绘制了 83 条超过 500 帧的连续跟踪货物轨迹。其中，49 个货物的轨迹显示为亚扩散运动，以灰色显示。基础科学研究所提供。

CL-iSCAT显微镜可用于研究病毒感染，并实时监测抗病毒疫苗和药物的效果。由于典型病毒的大小只有几十纳米，因此可以利用 CL-iSCAT 观察病毒从感染开始到细胞死亡的整个过程。

iSCAT 提供的高速成像和大量货物定位数据将使研究人员能够获得活细胞内纳米级物流的真实图像，并以高时空分辨率研究纳米级细胞成分随时间的演变。

荧光显微镜和干涉散射显微镜这两种互补技术的整合有助于推动细胞生物学的创新研究，加深对细胞内发生的生物现象的科学理解。

"共同领导这项研究的 Seok-Cheol Hong 教授说："开发一种能够高分辨率、快速观察生物过程的成像技术，可以从分子动力学的角度深入了解生命。"我们的长期可视化新方法为突破性医学发现带来了巨大潜力"。

该研究发表在《自然通讯》（www.doi.org/10.1038/s41467-023-42347-7）上。