日本顺天堂大学研发纳米级显微镜解析细胞内全蛋白

显微镜作为生命医学研究的核心工具，其发展史可追溯至16世纪后半叶。随着荧光显微成像技术的普及，生物医学研究者得以深入观察微观世界。然而，传统技术在可观测对象的数量与范围上仍存在局限。日本顺天堂大学医学部生化学第二讲座先任准教授大友康平，正主导一项创发研究，旨在构建一种能够纵贯细胞至蛋白质分子层面的新型观测系统，有望为医科学领域带来颠覆性创新。

生命体在器官、组织、细胞、细胞器及分子等多个层级拥有精密的三维结构，这些形态与功能紧密相连。虽然荧光显微成像技术已能可视化分子定位、动态及功能，但可观测对象往往局限于数种，且难以实现全面覆盖。近年来，空间组学技术虽在蛋白质组分析上取得进展，实现了生体蛋白的广泛定量分析，但其空间分辨率通常仅达细胞级别，且无法捕捉分子在生体内的时空动态变化。

针对上述瓶颈，大友团队聚焦于空间分辨率的突破。2014年诺贝尔化学奖表彰的超高分辨率显微技术，成功突破了光学衍射极限，实现了数纳米级的观测精度，这与蛋白质分子的尺寸相当。团队设想通过整合多种技术，在超高分辨率显微镜基础上，对细胞内微小区域进行“变焦”，在观测目标蛋白的同时，对周围所有蛋白分子进行计数与鉴定，从而构建全新的测量流程。

团队已率先采用“膨胀显微术”等样本处理技术，结合自制超高分辨率显微镜，成功达成了数纳米级的观测效果。目前，研究正针对神经退行性疾病相关的蛋白聚集细胞进行演示准备，旨在可视化病变蛋白及其周围蛋白的数量与分布。研究团队认为，即便在复杂的细胞环境中，只要分子未过度密集，该技术均能实现单分子级别的观测，并获取所有分子的三维坐标信息。

大友准教授此前曾主导开发光片显微镜"descSPIM"，实现了从组织到细胞的三维全面观测。此次研究旨在进一步“变焦”，实现从组织到分子层面的纵贯观测。此外，"descSPIM"以市售设备约十分之一的成本，支持研究者自行组装与定制，打破了高昂设备带来的使用壁垒，目前已在约50个研究据点普及。这种“按需定制、随时可用”的模式，极大地激发了科研人员的创新活力。

当前，生物成像技术与蛋白质组学分析虽互补，但数据间仍存在显著鸿沟。本研究致力于开发新型空间蛋白质组学技术，通过获取细胞内蛋白的功能与结构定量信息，有望填补两大技术领域间的认知空白。未来，随着技术成熟，研究者或许能像观看动画般，在器官、细胞与分子层级间自由穿梭观测，且设备将更具性价比，从而推动医科学研究的全面深化。

日本在基础科研设备创新上始终保持着对“精度”的执着追求，这种从原理出发、通过跨学科技术融合解决痛点的研发路径，值得中国科研界借鉴。中国企业在精密光学与高端仪器制造领域已具备坚实基础，若能加强与科研机构的深度协同，聚焦纳米级成像等“卡脖子”环节，有望在下一代生物医学观测装备领域实现弯道超车，将技术优势转化为产业胜势。