使用旋转积分倾斜干涉散射追踪管状膜突起的轴向时空响应

观察微小细胞桥的动态

我们的细胞不断伸出微小的管状突起以接触、感知并与周围环境交流。这些纤细结构帮助免疫细胞吞噬细菌、促进癌细胞扩散，并参与组织生长与修复。然而它们体积极小且运动快速，即便是先进显微镜也难以在不损伤细胞的情况下跟踪其三维动态。本研究介绍了一种实时观察这些“细胞桥”且无需染料的新方法，旨在更好地理解活细胞如何连接与通信。

为何现有显微镜无法完整捕捉

许多常见的细胞突起（如丝状伪足、牵引丝、轨迹和桥）从俯视看形状相似，但执行的功能差别很大。有些紧贴细胞所处表面，有些向上探测环境，还有些形成悬空的长管，可在远端细胞间传递货物。传统光学显微镜，尤其依赖荧光标记的那些，在垂直方向分辨率较差，且强光长期照射会损伤细胞。电子显微镜虽能展现细微结构，但样品制备常会扭曲这些脆弱管状结构，且只能观察固定的死亡细胞。因此，科学家长期缺乏一种简单的方法，能在活体、拥挤样本中以三维观察这些结构如何形成、扭曲和消失。

散射光的新思路

研究团队在一种称为干涉散射显微镜（iSCAT）的方法基础上进行了改进，该方法检测微小物体散射光与自玻璃表面反射光的干涉。此法对微小的垂直位移极为敏感，因而有望用于跟踪纳米级位移。然而实际应用中常受散斑噪声影响——由离焦散射体产生的颗粒状背景——且通常需用单独参考图像进行精细背景减除。作者发现，将激光以倾斜角射入样品并快速旋转该入射角成圆周，同时让相机在完整旋转周期内积分，来自远处平面的散斑图样会发生横向移动并相互抵消，而焦平面的信号仍保持清晰。他们将此法称为旋转倾斜干涉散射（RO-iSCAT）。

对活细胞更清晰、更温和的观察

通过数值模型以及纳米颗粒、胞外囊泡与多种细胞类型的实验，研究者证明 RO-iSCAT 可在不做数值背景减除的情况下将干涉图样的信噪比提高约十倍。它能分辨彼此相距仅数百纳米的金属颗粒，并捕捉到亮度随垂直位置平滑变化的清晰干涉环，从而实现深度标定。应用于活细胞时，该方法追踪到单个囊泡在表面附近扩散、被摄取时减速，以及随后在细胞内部移动的三维轨迹。关键在于，RO-iSCAT 无标记且使用温和光强，长时间（超过20小时）的记录下未标记细胞仍然健康并能分裂，而在相同光照条件下带荧光标记的细胞出现损伤迹象，强调了光毒性主要来源于染料而非照明本身。

解读不同类型的细胞突起

RO-iSCAT 不仅能定位细长膜管的位置，还能随时间捕捉其垂直运动。团队研究了成纤维细胞及其他自然形成突起网络的细胞类型，发现每类结构产生不同的干涉图样：贴附在玻璃上的扁平“轨迹”呈几乎均匀的对比度，向下倾斜的“牵引丝”显示出密集的明暗条纹，而细胞之间悬空的“桥”则沿长度方向呈现间距更大的条纹。通过将亮度变化转换为垂直位移图，他们量化出桥的垂直波动更大，类似拉紧的绳索在空间中振动，而轨迹和牵引丝的移动较小。在六种细胞类型中统计这些图样后发现，某些细胞（如成纤维细胞和结缔组织细胞）产生的突起数量远多于例如分泌胰岛素的β细胞。

追踪细胞如何相互连接

作者随后研究了成纤维细胞相互通信或与胰腺癌细胞共培养的混合培养体系。在一组实验中，他们共培养了带荧光标记和未标记的成纤维细胞，并将传统荧光成像与 RO-iSCAT 进行对比。荧光成像显示了突起的大致轮廓，而 RO-iSCAT 则在相同管状结构中揭示了更丰富的动态：在荧光下看似静止的相邻突起，在 RO-iSCAT 中被观察到会脱离、扭转并重新附着，其干涉条纹随上下移动呈周期性变化。在一项较长时间的实验中，成纤维细胞与癌细胞分别接种在培养皿两侧并向彼此生长，RO-iSCAT 揭示了最初分离的突起如何逐步融合为单一桥连，并伴随连接处垂直运动显著增加，这一机械应力的标志是二维成像无法捕捉到的。

这对理解活体组织意味着什么

简言之，这项工作提供了一种在三维中观察细胞间“无形线索”生长、牵拉与重排的方法，无需添加染料或损伤细胞。通过将倾斜光照与旋转平均用于产生更清晰的散射信号，RO-iSCAT 能按光学指纹对不同类型的细胞突起进行分类，并衡量它们随时间的活动性或张力变化。这为研究免疫细胞如何捕获目标、成纤维细胞和癌细胞如何交换信号以及组织网络如何形成等课题开辟了道路，均可通过解读散射光中的细微图案来实现。

引用: Liu, J., Lim, Y.J., Herrmann, D. et al. Using rotational integration of oblique interferometric scattering to track axial spatiotemporal responses of tubular membrane protrusions. Nat Commun 17, 4064 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72302-1

关键词: 细胞膜突起, 干涉散射显微镜, 无标记成像, 细胞间通讯, 三维活细胞成像