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Organization and Ultra-Structural Components of Endothelial Surface Glycocalyx Revealed by Stochastic Optical Reconstruction Microscopy(STORM)
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作者 Jie Fan Yi Sun +2 位作者 Yifan Xia John M.Tarbell Bingmei M.Fua 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第A01期6-7,共2页
Introduction The endothelial cells(ECs)lining every blood vessel wall constantly expose to the mechanical forces generated by the blood flow.The EC responses to these hemodynamic forces play a critical role in the hom... Introduction The endothelial cells(ECs)lining every blood vessel wall constantly expose to the mechanical forces generated by the blood flow.The EC responses to these hemodynamic forces play a critical role in the homeostasis of the circulatory system.In addition to forming a transport barrier between the blood and vessel wall,vascular ECs play important roles in regulating circulation functions.Besides biochemical stimuli,blood flow induced(hemodynamic)mechanical stimuli,such as shear stress,pressure and circumferential stretch,modulate EC morphology and functions by activating mechanosensors,signaling pathways,and gene and protein expressions.The EC responses to the hemodynamic forces(mechano-sensing and transduction)are critical to maintaining normal vascular functions.Failure in the mechano-sensing and transduction leads to serious vascular diseases including hypertension,atherosclerosis,aneurysms and thrombosis,to name a few[1].On the luminal surface of our blood vessels,there is a thin layer called endothelial surface glycocalyx(ESG)which consists of proteoglycans,glycosaminoglycans(GAGs)and glycoproteins.The GAGs in the ESG are heparan sulfate(HS),hyaluronic acid(HA),chondroitin sulfate(CS),and sialic acid(SA)[2].In order to play important roles in vascular functions,such as being a mechanosensor and transducer for the endothelial cells(ECs)to sense the blood flow,a molecular sieve to maintain normal microvessel permeability and a barrier between the circulating cells and endothelial cells forming the vessel wall,the ESG should have an organized structure at the molecular level.Due to the limitations of optical and electron microscopy,the ultra-structure and organization of ESG has not been revealed until recent development of a super high resolution fluorescence optical microscope,STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy).The diffraction of a single fluorescence molecule can be described as the point spread function(PSF).When the light of wavelengthλexcites the fluorophore(emitter),the intensity profile of the spot is defined as the PSF with the width^0.6λ/NA,NA is the numerical aperture of the objective.The diffraction-limited image resolution,for a high numerical aperture objective lens,is^200 nm in the lateral direction and^500 nm in the axial direction,for a conventional fluorescence microscope.The key idea of the single-molecule localization microscopy is to light the molecule,in turn,to achieve the nanometer-level accuracy of their position and reconstruction into a super-resolution image,such as STORM.STORM employs photo-switching mechanisms to stochastically activate individual molecules(photo-switchable or photoactivatable fluorophores)within the diffraction-limited region at different times.Then images with sub-diffraction limit resolution are reconstructed from the measured positions of individual fluorophores[3].To trade the super spatial resolution(accuracy),STORM sacrifices its temporal resolution(efficiency)by switching the state and sequentially exciting the emitters at a high density.Rust et al[3]employed organic dyes and fluorescent proteins as photo-switchable emitters to trade temporal resolution for a super spatial resolution(~20 nm lateral and^50 nm axial at present,can go down to a couple of nanometers if using smaller peptides or antibody fragments instead of currently used whole anti-bodies),which is an order of magnitude higher than conventional confocal microscopy.In the current study,we employed STORM to reveal the major ultra-structural components of the ESG,HS and HA,and their organization at the surface of the cultured EC monolayer[4].Materials and methods We used newly acquired Nikon-STORM system to observe the ESG on in vitro EC(bEnd3,mouse brain microvascular endothelial cells)monolayers.After confluency,the bEnd3 cells were immunolabeled with anti-HS,fol-lowed by an ATT0488 conjugated goat anti-mouse IgG,and with biotinylated HA binding protein,followed by an AF647 conjugated anti-biotin.The ESG was then imaged by the STORM with a 100x/1.49 oil immersed lens.Multiple Reporters of ATT0488 and AF647 with alternating illumination were used to acquire the 3D images of HS and HA.The field of 256×256(40×40μm2)of HS and HA at the surface of ECs was obtained based on totally 40,000 of EM-CCD captured images for each reporter at a capturing speed of 19 ms/frame.Results HA is a long molecule weaving into a network which covers the endothelial luminal surface.The diameter of the HA segments is 185.3±44.7 nm,155.5±57.2 nm,and 156.9±56.1 nm,respectively,at the top,middle and bottom regions of the cell luminal surface.In contrast,HS is a shorter molecule,perpendicular to the cell surface.HA and HS are partially overlapped with each other at the endothelial luminal surface.We quantified the length,diameter,orientation,and density of HS at the top,middle and bottom regions of the endothelial surface.The diameter of the observed HS is 191.0±46.0 nm,284.3±71.1 nm,and 184.2±59.6 nm,and the length of the HS is 621.0±75.7 nm,651.0±118.0 nm,and 575.2±105.6 nm,respectively,at the top,middle and bottom regions of the cell luminal surface.For the HS orientation,its angle with the cell surface is 92.9±1.9,88.7±8.2,and 96.2±10.9 degree,respectively,at the top,middle and bottom regions.The angle of 90 degree is perfectly perpendicular to the cell surface.For the HS distribution,the average density is0.398 elements/μm2,0.345 elements/μm2 and 0.665 elements/μm2,respectively,and the distance between the adjacent HS is 1 694.4±628.1 nm,1 844.8±758.5 nm,and 1 221.9±450.7 nm,respectively,at the top,middle and bottom regions.Conclusions Our results suggest that HS plays a major role in mechanosensing and HA plays a major role in the molecular sieve,due to their organization,ultra-structure and distribution. 展开更多
关键词 ORGANIZATION Ultra-Structural Components ENDOTHELIAL Surface GLYCOCALYX REVEALED optical reconstruction microscopy storm
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STORM原始图像和基于点扩散函数测量矩阵的压缩感知后处理方法 被引量:3
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作者 程涛 陈丹妮 于斌 《探测与控制学报》 CSCD 北大核心 2017年第4期31-38,共8页
针对随机光学重构显微等超分辨率显微成像技术存在的图像采集重构慢、空间分辨率低、时间分辨率弱,基于点扩散函数测量矩阵的约束等距性差和重构效果不好等缺点,提出了随机光学重构显微(STORM)原始图像和基于点扩散函数测量矩阵的压缩... 针对随机光学重构显微等超分辨率显微成像技术存在的图像采集重构慢、空间分辨率低、时间分辨率弱,基于点扩散函数测量矩阵的约束等距性差和重构效果不好等缺点,提出了随机光学重构显微(STORM)原始图像和基于点扩散函数测量矩阵的压缩感知后处理方法。仿真结果表明,该方法在不改变显微镜光学系统的前提下,通过对STORM原始图像和基于点扩散函数测量矩阵的后处理,能够大幅提高超分辨率显微成像的重构效果。 展开更多
关键词 压缩感知 随机光学重构显微 点扩散函数 超分辨显微成像
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基于压缩感知STORM超分辨成像与像素的关系 被引量:4
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作者 程涛 陈丹妮 《电子显微学报》 CAS CSCD 2017年第3期264-272,共9页
针对基于压缩感知STORM(stochastic optical reconstruction microscopy)超分辨成像效果差的不足,提出采用高分辨相机改善基于PSF测量矩阵性能的方法。该方法能够改善基于PSF测量矩阵的约束等距性(restricted isometry property,RIP),... 针对基于压缩感知STORM(stochastic optical reconstruction microscopy)超分辨成像效果差的不足,提出采用高分辨相机改善基于PSF测量矩阵性能的方法。该方法能够改善基于PSF测量矩阵的约束等距性(restricted isometry property,RIP),从而达到提高重构效果的目的。实验结果表明,采用高分辨相机后基于PSF(point spread function)测量矩阵的列不相关性更好,重构能力、定位准确度和识别率都得到极大改善。同时探讨了以传统指标体系评价基于压缩感知的超分辨重构质量的优劣和适用性。发现匈牙利法和质心法的组合方案较能反应真实的基于压缩感知的超分辨重构效果。 展开更多
关键词 压缩感知 随机光学重构显微 点扩散函数 超分辨显微成像
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STORM和STED显微成像技术特点的比较 被引量:1
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作者 宗艾伦 周迎生 《中国实验动物学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第1期115-118,共4页
随机光学重建显微镜(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM)技术和受激发射损耗(stimulated emission depletion,STED)显微镜技术是近年来发展迅速的两种超分辨率荧光显微镜技术。这两种技术均提供超越传统荧光显微镜分... 随机光学重建显微镜(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM)技术和受激发射损耗(stimulated emission depletion,STED)显微镜技术是近年来发展迅速的两种超分辨率荧光显微镜技术。这两种技术均提供超越传统荧光显微镜分辨率成像的功能,具有多色显像,三维成像以及活细胞内成像的潜力。在这篇综述中,我们关注两种技术荧光控制、激光强度等技术参数设定,同时结合样品制备、图像采集与处理等流程优化对比两者在分辨率、图像采集时间及具体应用中的优劣。STORM可获得更高的三维分辨率,但可能需要更长的图像采集时间。STED需要较高损耗光强度,却能在图像采集后立即生成超分辨率图像,不需要额外图像数据处理。最终,选择STORM和STED不仅取决于技术的具体应用,还取决于操作者优化各环节技术参数的能力,从而决定图像质量。 展开更多
关键词 超分辨率荧光显微镜技术 随机光学重建显微镜 受激发射损耗显微镜
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几种超分辨率荧光显微技术的原理和近期进展 被引量:20
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作者 吕志坚 陆敬泽 +1 位作者 吴雅琼 陈良怡 《生物化学与生物物理进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2009年第12期1626-1634,共9页
在生命科学领域,人们常常需要在细胞内精确定位特定的蛋白质以研究其位置与功能的关系.多年来,宽场/共聚焦荧光显微镜的分辨率受限于光的阿贝/瑞利极限,不能分辨出200nm以下的结构.近年来,随着新的荧光探针和成像理论的出现,研究者开发... 在生命科学领域,人们常常需要在细胞内精确定位特定的蛋白质以研究其位置与功能的关系.多年来,宽场/共聚焦荧光显微镜的分辨率受限于光的阿贝/瑞利极限,不能分辨出200nm以下的结构.近年来,随着新的荧光探针和成像理论的出现,研究者开发了多种实现超出普通共聚焦显微镜分辨率的三维超分辨率成像方法.主要介绍这些方法的原理、近期进展和发展趋势.介绍了光源的点扩散函数(point spread function,PSF)的概念和传统分辨率的定义,阐述了提高xy平面分辨率的方法.通过介绍单分子荧光成像技术,引入了单分子成像定位精度的概念,介绍了基于单分子成像的超分辨率显微成像方法,包括光激活定位显微技术(photoactivated localization microscopy,PALM)和随机光学重构显微技术(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM).介绍了两大类通过改造光源的点扩散函数来提高成像分辨率的方法,分别是受激发射损耗显微技术(stimulated emission depletion,STED)和饱和结构照明显微技术(saturated structure illumination microscopy,SSIM).比较了不同的z轴提取信息的方法,并阐述了这些方法与xy平面上的超分辨率显微成像技术相结合所得到的各种三维超分辨率显微成像技术的优劣.探讨了目前超分辨率显微成像的发展极限和方向. 展开更多
关键词 超分辨率荧光显微技术 点扩散函数 PALM storm STED SSIM
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超分辨显微成像技术在活细胞成像中的应用与发展 被引量:7
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作者 张娇 何勤 +3 位作者 武泽凯 于斌 屈军乐 林丹樱 《生物化学与生物物理进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2021年第11期1301-1315,共15页
超分辨显微成像技术(super-resolution microscopy,SRM)可以绕过光学衍射极限对成像分辨率的限制,让以前观察不到的纳米级结构实现可视化,这一重大研究进展推动了现代生命科学和生物医学研究的进步与发展.细胞是生物体的基本组成单位,... 超分辨显微成像技术(super-resolution microscopy,SRM)可以绕过光学衍射极限对成像分辨率的限制,让以前观察不到的纳米级结构实现可视化,这一重大研究进展推动了现代生命科学和生物医学研究的进步与发展.细胞是生物体的基本组成单位,对活细胞内部的细微结构和动力学过程进行研究是掌握生命本质必不可少的途径.但由于成像原理或条件的限制,早期的SRM技术在活细胞成像应用方面受到了不同程度的限制.近几年来,随着SRM和相关技术的发展,SRM在活细胞成像研究中的应用也越来越多.本文简要介绍目前常见的几种SRM技术的基本原理和特点,并在此基础上着重阐述它们在活细胞成像应用中所取得的最新研究进展和发展方向. 展开更多
关键词 随机光学重构显微术 受激发射损耗显微术 结构光照明显微术 超分辨成像 活细胞成像
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单分子定位超分辨显微成像有机荧光探针的研究进展 被引量:7
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作者 潘文慧 李文 +3 位作者 屈璟涵 叶懿霈 屈军乐 杨志刚 《应用化学》 CAS CSCD 北大核心 2019年第3期269-281,共13页
在生物医学领域,对纳米尺寸级别的微小生物目标进行精确定位研究具有非常重要的意义,而光学显微成像技术为此提供了强有力的工具。光学显微成像技术受到光学衍射极限的限制,难以分辨尺寸在衍射极限(<200 nm)以下的生物结构,无法直接... 在生物医学领域,对纳米尺寸级别的微小生物目标进行精确定位研究具有非常重要的意义,而光学显微成像技术为此提供了强有力的工具。光学显微成像技术受到光学衍射极限的限制,难以分辨尺寸在衍射极限(<200 nm)以下的生物结构,无法直接获取微小生物结构信息,阻碍了生物医学的进一步发展。近年来,随着纳米分辨显微成像技术的出现,新型荧光探针的开发、成像系统与设备的不断发展及成像算法不断完善地深入结合,促进了光学衍射极限以下尺寸微观目标的研究。基于单分子定位的超分辨荧光显微成像(SMLM)包括光激活定位成像(PALM)与随机光学重构超分辨成像(STORM),将有机荧光探针与超分辨光学显微成像技术紧密结合在一起,荧光探针的光物理性质直接决定着超分辨成像结果的好坏。因此,设计不同性能的荧光探针可以实现超精细结构的不同超分辨成像,为研究其生物学功能提供了有力的工具。本文着重围绕基于SMLM的原理、有机荧光探针的设计要求、用于SMLM的荧光探针种类及其生物应用等方面进行总结综述,指出了单分子定位成像上存在的不足,并对其发展方向进行了展望,希望为对超分辨成像研究感兴趣或初涉该领域的研究者提供成像理论与探针设计方面的帮助。 展开更多
关键词 超分辨成像 单分子定位成像 荧光探针 随机光学重构超分辨成像 光激活定位成像
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超分辨率成像荧光探针材料应用进展 被引量:3
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作者 刘志贺 吴长锋 《中国光学》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第3期344-362,共19页
为了进一步认知复杂环境中的细胞生物学过程,研究人员发展了各种各样的生物成像技术。在这些技术中,生物荧光成像因简单的成像条件以及对生物样品的相容性而得到了广泛的发展。然而,传统的荧光成像技术受到了光学衍射极限的限制,无法分... 为了进一步认知复杂环境中的细胞生物学过程,研究人员发展了各种各样的生物成像技术。在这些技术中,生物荧光成像因简单的成像条件以及对生物样品的相容性而得到了广泛的发展。然而,传统的荧光成像技术受到了光学衍射极限的限制,无法分辨低于200 nm的空间结构,阻碍了对亚细胞结构的生物学过程研究。超分辨荧光显微镜技术突破了传统光学衍射对成像分辨率的限制,能够获取纳米尺度的细胞动态过程。除了对传统的宽场荧光显微镜框架的改进及升级改造之外,目前典型的超分辨成像显微镜技术通常依赖于荧光探针材料的光物理性质。常用的荧光探针材料包括荧光蛋白、有机荧光分子和纳米荧光材料等。本文介绍了几种主流的超分辨荧光显微成像技术并总结了已经成功应用到超分辨生物荧光成像中的荧光探针材料的应用进展。 展开更多
关键词 超分辨荧光成像 受激发射损耗显微镜 光激活定位荧光显微术 随机光学重构显微术 超分辨光学涨落成像 荧光探针
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