重新审视光毒性

编译 李升伟

光能成像的能力使我们更深入理解生物学。当前的显微镜学方法可以在接近实时和超级分辨率的条件下对整个细胞、组织和生物体进行过程跟踪分析。但是，要获得更快、更高分辨率、更高信噪比和更深层次的成像，经常需要比自然条件下生物学样品实验所需的光剂量大很多个数量级。现在大家都很清楚，这样的光剂量，在一些情况下，不论是什么样的光，都会对样品的性质和活性产生负面影响。

这种现象一般称为光损伤或光毒性，得到了广泛观察，但是极少得到报道。实际上，这些变化对成像实验的影响程度难以评估。然而，由于用于研究活体标本的显微镜方法正在迅速发展并日益成为一种普遍需求，所以现在是研究人员更加定量地认识光对样品影响的时候了。

这并不是说，光毒性问题还没有得到系统的研究。在大量基础性研究的基础上，人们已经进行了一些关键的研究。例如，波长较短的光波对细胞损伤更大，光线越少越好，而且不同的样品对光波有不同的敏感性；再如，光照的性质和时间会影响结果，即使在总光剂量恒定的情况下也是如此。

尽管取得了这些重要的研究成果，但如何为某个确定的生物样本选择最佳成像模式是极具挑战的。这部分由于显微镜学所面临的生物多样性问题。近期，来自耶鲁大学医学院贝韦尔斯多夫实验室的一项研究报道了受激发射损耗（STED）纳米显微镜是否与培养基中生长的细胞活体荧光成像相兼容。这是一个有争议的问题，因为STED显微镜所需要的光剂量要求是超级分辨率成像中最高的。

在这项工作中，研究人员既评估短期，又分析长期，来评估光剂量对细胞健康的影响。研究发现在对细胞进行STED成像后，短期几乎没有对细胞产生压力，而长期生存能力也能保持良好。这至少表明，对细胞来说，STED成像并不意味着细胞一定会死亡——这个结果可能会让很多人感到震惊。他们还发现细胞类型相当重要，并对细胞中那些光损伤敏感的特定蛋白质进行标记；在含氧清除剂的缓冲液中成像通常可以减少细胞短期压力。

这项研究虽然对使用或考虑使用STED的人很重要，但还不具有普适性。例如，研究人员只分析了两种细胞类型，并在所有实验中都使用了一种单一的远红外染料，这使得他们的结果是否适用于其他颜色光以及其他样本的成像尚不清楚。此外，同一个样品，与未成像相比，STED成像样品中存活的细胞更少，这表明在STED纳米显微镜中不能完全忽略光毒性。然而，为了更好地了解光对生物学观测的影响程度，这类系统的研究仍需进行。

一段时间以来，《自然·方法》杂志一直要求研究人员描述活体成像的光毒性实验。该杂志将继续鼓励这种评估，并强烈希望在同行评议时也将这项内容纳入其中。随着该领域建立测量光毒性的标准，我们设想这将成为那些涉及描述活样品成像的研究的必备内容。

由于光毒性在很大程度上取决于样品、研究的问题和仪器，杂志并不要求任何研究都进行特定的化验分析，但要求作者必须通过生物学方法演示来证实其采用的研究方法与研究具有匹配性。例如，细胞生物学家使用一种新的方法来监测细胞短时间内的分泌物，这往往会选择成像后再测试短期压力，其实同时，可采用一种不通过成像的黑暗对照，来研究成像是否影响分泌物。

2017年，一篇发表在《自然·方法》杂志的评论文章描述了光毒性，研究人员增强光照，直到他们观察到光毒性效应，这样就可以确保以后进行的实验使用的光远低于有毒水平，使得细胞受压和活性不受影响。杂志还欢迎从事新光学装置开发的研究人员，在研究报告明确样品成像时的光功率密度设置，以便交叉对比研究。

这种评估的好处是巨大的。首先，《自然》杂志希望使生物学家和潜在用户更清楚哪些方法和光学装置是有用的，哪些是没用的，从而减少假象并促进发现。这些类型的分析还将促进我们对光毒性现象的一揽子认识，并提高对研究对象广泛本质的认识。最后，随着时间的推移，各种样品类型和显微镜的分析标准将出现，这将有利于促进各种方法之间的比较研究。

资料来源 Nature Methods