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传统光学显微镜常在“视野广度”与“探测灵敏度”间做取舍：定量相位显微镜（QPM）可清晰显示细胞整体结构，但难以追踪单个纳米粒子（如病毒、外泌体）；干涉散射显微镜（iSCAT）能检测并追踪单个纳米颗粒，却缺乏对细胞器与整体形态的宽视野观察。 东京大学Kohki Horie、Keiichiro Toda团队在 Nature Communications 发表的研究，开发出一种双向定量散射显微镜（Bidirectional Quantitative Scattering Microscopy），通过同时测量前向散射光（forward-scattered） 与后向散射光（backward-scattered），实现了：

• 动态范围提升14倍：可同时分辨>100 nm的细胞结构（如核膜、线粒体）与<100 nm的纳米粒子（如蛋白聚集体、外泌体）；

• 无标记实时成像：无需荧光或外源标记，避免光毒性或染料干扰，可长时间追踪活细胞动态；

• 同步获取大小与折射率：通过散射光的强度与角度信息，反推颗粒尺寸与折射率（材料特性）。

在细胞凋亡（程序性死亡）实验中，该显微镜首次在同一视野中记录了细胞膜起泡、核收缩等宏观变化与亚显微颗粒的布朗运动与聚集，为理解死亡过程中的分子事件提供了全新视角。

技术背景：两大技术的“对立”与“互补”

• QPM：利用干涉原理测量透射光的相位延迟，可高对比度成像细胞整体形态与厚度，但对纳米级颗粒（远小于波长）不敏感；

• iSCAT：检测散射光与参考光的干涉，可追踪单个纳米颗粒（如病毒、蛋白质团簇），但无法同时成像细胞整体结构，且对散射体密度敏感。

两者在生物成像中常需二选一。本研究旨在融合二者优势。

方法：双向光散射与信号分离

1. 光路设计

• 激光照射样品后，前向散射光（透射方向）由物镜收集，用于QPM模式，反映细胞整体结构；

• 后向散射光（反射方向）由同轴光学系统收集，用于iSCAT模式，追踪纳米颗粒。

2. 信号分离与量化

• 通过偏振与波前调制，将前向与后向信号在同一个探测器上同时记录，并通过算法分离；

• 从散射光的强度与角度分布中，反演颗粒的尺寸（等效直径） 与折射率（与材料密度、化学组成相关）。

核心性能：动态范围扩大14倍

• 可同时探测尺寸从几十纳米到数十微米的散射体，动态范围（最大/最小可探测信号）比传统单模式显微镜（QPM或iSCAT）提高约14倍；

• 在活细胞中，可清晰观察线粒体、脂滴、囊泡等细胞器，同时追踪其中纳米级蛋白聚集体的迁移。

应用演示：细胞凋亡的“多尺度”观测

研究团队将该技术应用于诱导细胞凋亡的实验：

• 宏观层面：观察到细胞膜起泡、细胞皱缩、核形态变化；

• 纳米层面：同时追踪凋亡过程中释放的亚微米囊泡（凋亡小体） 与蛋白聚集体的扩散与聚集模式。

这种“全景式”观测，为解析凋亡信号通路中细胞器与分子事件的时空关联提供了新工具。

工业与临床潜力

1. 药物筛选：无标记观测药物诱导的细胞形态变化（如线粒体肿胀、核碎裂）与纳米颗粒（药物载体）的胞内转运；

2. 病毒学：直接观察病毒颗粒与宿主细胞的相互作用，无需荧光标记；

3. 外泌体研究：在细胞培养基中直接检测外泌体（30-150 nm）的尺寸分布与密度，并追踪其释放与摄取；

4. 质量控制：在细胞治疗（如CAR-T）中，实时监测细胞状态，无需取样染色。

未来方向

• 提升对更小颗粒（<20 nm）的探测灵敏度（如单个蛋白）；

• 结合机器学习，自动分割细胞结构与纳米颗粒轨迹；

• 集成至常规倒置显微镜平台，降低技术门槛。

参考信息
Reference: “Bidirectional quantitative scattering microscopy” by Kohki Horie, Keiichiro Toda, Takuma Nakamura, and Takuro Ideguchi, 2025, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-025-65570-w