高端共聚焦显微镜中集成的精确且超快速光谱荧光寿命视频速率成像

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弗斯特(荧光)共振能量转移(FRET)已成为研究活细胞中蛋白质-蛋白质相互作用和信号转导的有力工具。FRET信号通常通过检测供体与受体荧光强度的比值(敏化发射),或通过检测供体激发态寿命的变化进行读取,后者随着FRET的增强而缩短(荧光寿命成像,FLIM)。FLIM具有稳定性好、不受光漂白影响,并且本质上可定量等优势。在共聚焦显微镜上,FLIM通常采用时间相关单光子计数(TCSPC)技术实现。该方法需要昂贵的附加硬件,且本质上速度很慢,通常需要多次连续扫描以获得低噪声的寿命图像。因此,快速的寿命变化(例如利用FRET传感器记录活细胞信号事件时所遇到的变化)无法被检测。图像的累积和/或扫描速度过慢还可能导致所获图像出现形态学伪影。

主要经验

我们推出徕卡显微系统的SP8 FALCON,这是一款内置超快速FLIM功能的新一代高端共聚焦仪器。该仪器采用新技术,利用内置的光谱HyD探测器,以高达80 MHz(若使用两个探测器则为160 MHz)的频率记录光子到达时间。为实现如此高的计数率,该仪器采用实时10 GHz采样与分析算法,使其在很大程度上免受脉冲堆积效应的影响。FALCON FLIM已完全集成于LAS X软件中,可便捷地采集FLIM时间序列、拼接FLIM全景图像、FLIM XYZ层切数据以及光谱FLIM层析数据等多种成像模式及其组合。

我们对SP8 FALCON的性能进行了严格评估,并将其用于以亚微米级精度高速记录由激动剂诱导的第二信使(如cAMP和Ca²⁺)浓度变化,成像速度可达每秒数帧(512×512像素)。为通过FLIM检测cAMP,我们采用了基于EPAC的新一代专用FLIM传感器,该传感器使用mTurquoise2作为供体,以及两个串联的单体暗态Venus蛋白作为受体。将图像格式缩小至128×128像素后,我们实现了高质量的FLIM时间序列成像,速率达25帧/秒(共振扫描模式下可达83帧/秒),能够检测包括G蛋白激活和钙火花在内的快速信号事件。大量检测到的光子减少了计算寿命值时像素间的差异。最后,我们证明SP8 FALCON适用于固定细胞和活细胞样本的高速FLIM筛选应用。

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