活细胞成像

1 定义与概述

活细胞成像（Live-cell imaging）是指在体外条件下对仍具有代谢活动的细胞进行连续或多时间点的显微观察与记录的技术手段。该技

术广泛应用于细胞生物学、神经科学、肿瘤研究及药物筛选等领域，能够提供细胞在自然状态下的动态信息，如细胞迁移、细胞分裂、胞器运动及信号通路激活等过程¹。

2 技术原理
活细胞成像依赖于高分辨率的显微镜系统（如荧光显微镜、共聚焦显微镜、光片显微镜、TIRF显微镜等）和对细胞生理状态最小干扰的样品制备技术。细胞通常培养在特殊的观察容器中，结合环境控制系统（温度、湿度、CO₂）以维持细胞活性。通过荧光染料或荧光蛋白标签（如GFP, mCherry等）标记感兴趣的细胞器、分子或结构，研究者可以在不同时间点获取图像序列，并进行定量分析²。

3 常用工具与标记方法
常见的标记方法包括：
（1）转染表达荧光融合蛋白（例如使用GFP标记微管、线粒体等）；
（2）使用可穿透细胞膜的荧光染料（如Hoechst用于染核，MitoTracker用于染线粒体）；
（3）基于小分子探针或纳米抗体的标记技术；
（4）CRISPR/Cas9等基因组编辑技术用于内源性蛋白的荧光标记³。

图像获取后可使用ImageJ、CellProfiler、Imaris、Metamorph等分析软件进行轨迹追踪、荧光强度测量、细胞计数及分割等处理。

4 应用领域
活细胞成像在以下领域有广泛应用：
（1）肿瘤细胞侵袭与迁移机制研究；
（2）细胞周期与有丝分裂过程观察；
（3）细胞器动力学与相互作用分析（如线粒体融合分裂）；
（4）神经元轴突导向与突触形成监测；
（5）药物作用机制与毒性分析；
（6）信号通路瞬时变化实时监测⁴。

5 局限性与挑战
虽然活细胞成像提供了前所未有的细胞动态信息，但仍存在以下限制：
（1）光毒性与光漂白对细胞活性的影响；
（2）图像采集与存储过程对数据量的挑战；
（3）某些深层组织细胞难以长时间成像；
（4）标记方式可能引入外源干扰，影响细胞生理状态；
（5）分辨率与成像速度间的权衡需根据实验目的谨慎设计⁵。

6 发展趋势
近年来，活细胞成像趋向于多模态集成（如荧光+光学相干断层扫描）、AI辅助图像分析、超分辨率成像（如STORM, PALM）、无标记技术（如相位成像、数字全息成像）等方向发展，推动其在精准医疗和个体化诊疗中的应用前景。

参考文献：
¹ Stephens, D. J., & Allan, V. J. (2003). Light microscopy techniques for live cell imaging. Science, 300(5616), 82–86.
² Waters, J. C. (2009). Live-cell fluorescence imaging. Methods in Cell Biology, 85, 1–17.
³ Snapp, E. L. (2005). Design and use of fluorescent fusion proteins in cell biology. Current Protocols in Cell Biology.
⁴ Helmchen, F., & Denk, W. (2005). Deep tissue two-photon microscopy. Nature Methods, 2(12), 932–940.
⁵ Liu, T. L., et al. (2018). Observing the cell in its native state: Imaging subcellular dynamics in multicellular organisms. Science, 360(6386), eaaq1392.