生命科学基础研究与人类健康和社会经济发展密切相关，在科学和经济社会领域中的重要性日渐增强。Science 曾发布125 个挑战全球科学界的重要基础问题，其中涉及生命科学的问题约占 54%。生命科学研究过程离不开各类科学仪器的帮助，今年，仪器信息网特别策划话题：“生命科学技术平台经验分享”，邀请高校、科研院所公共技术平台的老师分享技术心得和经验，方便生命科学领域研究人员了解相关技术进展、学习仪器使用方法。本篇由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心电镜技术平台主管孔妤撰写，她根据多年工作经验，详细介绍了电镜技术的发展，并分享了生物电镜实验的心得体会。以下为供稿内容：
电镜技术平台是中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心公共技术中心的一个重要分支，成立之初只有一台老式透射电镜，经过多年发展，目前已具备不同配置的三台电镜和全套的电镜制样设备。平台现有专业技术人员4名，最大程度地满足中心及上海地区电镜实验方面的需求。平台大型设施的建设和功能拓展是与生物电镜技术的迅猛发展、科研方向的转变息息相关的。现就生物电镜技术及在神经科学中的实践进行分享。
一、电镜简介
电镜的发明起源于1927年电子光学领域先驱Hans Bush的电子束聚焦理论。1932年Knoll和Ruska创造出了世界第一台透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM），把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上。1940年科学家们又发明了第一台扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM），可以看到散射的电子而不是通过样品的电子。由于高速电子的波长远小于光子，电镜的分辨率远远高于光学显微镜，用于观察光镜不能分辨的细微物质结构。经历几十年的发展，透射电镜和扫描电镜在多尺度上均能实现超高分辨率的洞察力，冷冻电镜的分辨率甚至达到2.0Å或更小的原子级理论极限值。随着生物样本保存方法和超薄切片技术的建立，电镜在细胞生物学、神经生物学、病理学、结构生物学、传染病学、药学和植物学等多领域的研究中发挥着不可替代的作用。
二、透射电镜技术
透射电镜由电子光学系统、真空系统和电气控制系统三部分组成，其中电子光学系统是透射电镜的核心，包括照明系统、成像系统和图像观察系统。成像原理是：在真空条件下，高压加速的电子束穿透一层很薄（通常几十至几百纳米）的样品，形成透射电子，透射电子在电磁透镜的作用下在荧光屏或相机上成像，当电子束投射到样品时，样品的原子序数越大，荧光屏上呈现的像就越暗，所以呈现出明暗不同的灰度图像。由于生物样品的组成元素都较轻，因此用重金属元素标记膜结构可以实现生物超微结构的观察。以下为我们常用的几种生物透射电镜制样技术：
1.常温包埋切片技术：早期的透射电镜主要用于病毒等极小病原体的样品形貌观察，后来发展到可以通过超薄切片观察生物样品组织和细胞内的超微结构。为保存生物样品在生活状态的超微结构特征，需要使用戊二醛、甲醛或丙烯醛等醛基固定液对样品进行化学固定，由于化学固定剂存在一定的渗透速度，生物组织需要切得尽可能的小（通常1mm3左右），以保证中心部分的细胞在发生自溶前得到固定。甲醛的分子较小，能够快速地渗透到组织内部进行固定，但甲醛只有一个醛基，固定能力较弱并且固定效果可逆，所以较难渗透的样品一般采用甲醛和戊二醛混合固定液。戊二醛具有两个醛基，可以对生物组织中的蛋白质、糖类等结构进行交联固定，具有较好的固定效果，是最常用的电镜固定液。固定后的样品再经后固定、乙醇梯度脱水、树脂渗透、包埋及聚合后即可进行超薄切片。超薄切片的制备是生物电镜技术的关键，用钻石刀获得厚度一般为50-100nm切片，收集于带膜的金属载网上，经醋酸铀和柠檬酸铅染色后在透射电镜上进行观察。
2.高压冷冻-冷冻替代技术(HPF-FS)：针对于一些特殊样品，单一化学固定易发生组织收缩、细胞外空间损失和细胞降解的现象，高压冷冻固定可以避免这些问题。高压冷冻是在2100bar压力下将生物样品在30毫秒内进行冷冻固定，极大限度地保存样本自然生理状态的结构特征，为研究细胞结构与功能的关系提供充分而准确的超微结构信息,避免了因化学固定引起的各种假象，同时还可以捕捉到一些光、电刺激后细胞动力学的错综变化瞬间。冷冻固定后的样品需要转移至冷冻替代仪中进行逐步回温和替代，随着温度逐渐升高，替代液中的锇酸、醋酸铀及醛类也会渗透至组织细胞中发挥固定和染色作用。HPF-FS技术虽然有着固定速度快，样品接近自然生理状态的优点，同时也存在着固定体积小（厚度不超过200μm）、易于产生冰晶损伤、设备依赖性等问题，限制了该项技术的广泛应用。
3.免疫电镜技术(IEM)：基本原理类似于免疫组织化学，将电镜技术与免疫标记技术结合，通过电镜下观察到的（高电子密度）标记物如胶体金或DAB染色来标记某种特定的物质，达到对某种物质在细胞中的超微定位和对组织进行超微结构研究的目的。该技术较为复杂，包括包埋前免疫、包埋后免疫、冷冻超薄切片等不同的技术路线。路线的选择依据在于是否最大限度地保存抗原的免疫活性和组织的超微结构。不能根据这些技术出现的先后来认为其先进性，它们各具优缺点，又各有相应的适用范围。
①包埋前免疫是在树脂包埋之前完成免疫标记流程。固定后的样品，经过冻融或表面活性剂处理后，增加细胞膜的通透性，之后进行一抗和二抗的标记，二抗偶联胶体金标记，或辣根过氧化物酶，辣根过氧化物酶通过过氧化物反应，将DAB底物氧化沉淀在目标位点，沉淀的DAB反应物会和之后的锇酸反应，生成特定的黑色标记。完成标记的样品经过常规的电镜包埋切片制样流程，就可以在电镜下观察超微结构和其上的特异标记。包埋前免疫技术的标记效率较高，但由于标记过程中需要增加膜的通透性，所以膜结构通常保存较差。
②包埋后免疫是将固定后的样品进行树脂包埋和超薄切片，将切片收集在带支撑膜的镍网上,对镍网上的切片进行免疫胶体金标记，胶体金的粒径通常为5-20nm,使用不同粒径的二抗来实现对不同抗原的多重标记。由于制样过程中需要尽可能的保存抗原，常采用的固定剂是4%多聚甲醛+0.1～0.5%戊二醛溶液或只使用4%多聚甲醛。树脂一般选择在较低的温度（-10℃～50℃）下进行紫外聚合的LR-white,LR-Gold或K4M,HM20等丙烯酸盐类树脂。HPF-FS技术也可用于包埋后免疫电镜的制样，能明显提高样品结构和抗原的保存效果。
③冷冻超薄切片是将固定后的样品在-120℃进行冷冻超薄切片（50-100nm），捞于镍网上再进行胶体金免疫标记。标记后的样品用醋酸铀染色并用甲基纤维素封片后就可以进行电镜观察。由于不需要有机溶剂脱水和树脂包埋，冷冻超薄切片技术具有标记效率高，膜结构保存良好的特点，但是对技术人员的技能和经验要求高。
4.负染色技术：负染色又称阴性反差染色，它是利用高密度的、且在透射电镜下又不显示结构的重金属盐（如磷钨酸、醋酸铀等），把生物标本包围起来、在黑暗的背景上显示出呈现阴性反差样品的微细结构。负染色所显示的电镜图像，正好与组织超薄切片正染色相反，其样品结构为透明浅色，而背底则为无结构的灰色或黑色。负染色技术无法看到样品的内部结构。这种方法操作简单，图像衬度高，广泛应用于水溶性样品中的颗粒性物质或生物大分子等样品质量和结构的快速检测分析，如外泌体、脂质体、细菌、病毒、蛋白质和纳米制剂等。样品的纯度和浓度都有要求，如果杂质太多样品中有盐类结晶会干扰染色反应。
5.冷冻电镜技术（Cryo-EM）：近年来冷冻透射电镜成为最为热门的生物研究技术之一，主要包括单颗粒分析（Single particle，SPA）和冷冻电子断层扫描（tomography）两个技术分支。
单颗粒分析技术通常依赖于均质的样品，通过将纯化的蛋白质瞬间冷冻在Quantifoil金网上，将载网通过冷冻样品杆或冷冻传输装置放入冷冻电镜中进行观察，在保持蛋白天然构型的前提下，解析蛋白的构象特征。单颗粒分析在电镜下观察每个蛋白质分子在某个角度的投影，获得多个不同方向和/或粒子图像，再通过数据分析和图像分类算法得到该蛋白分子的三维构象图。随着冷冻电镜的加速电压的提高（300kV）和算法的迭代更新，单颗粒分析的分辨率甚至可以达到1.2埃，实现对蛋白质结构原子级别的解析，适用于膜蛋白、蛋白质等大分子复合物的研究。
冷冻电子断层扫描技术是一种无标记的冷冻成像技术，能以纳米分辨率提供细胞器和蛋白质复合物的3D数据集。以细胞为例，首先需要对细胞进行低温冷冻（玻璃化），通过聚焦离子束 (FIB) 对细胞目标区域减薄，得到减薄的细胞冷冻薄片。将冷冻薄片置于冷冻电镜下，通过样品杆的倾转，拍摄冷冻薄片在不同角度下的一系列2D图像，然后将其重建为 3D 数据集。冷冻电子断层扫描不需要对样品进行任何脱水、染色或标记，并可以与光学显微术联合使用，获得目标细胞器、蛋白质的在细胞中的位置和纳米分辨率级别的三维结构信息。相比于SPA，冷冻电子断层扫描不仅能获得单个蛋白质的结构信息，还能得到它们在细胞内的空间排布特征以及周围亚细胞结构的三维超微特征。
三、扫描电子显微镜技术
扫描电镜由真空系统、电子束系统和成像系统三大系统组成。不同于透射电镜，扫描电镜的成像原理是用极细的电子束在样品表面进行逐点扫描，激发样品表面放出二次电子、背散射电子等电子信号，通过不同的电子探测器接受不同来源的电子来形成样品的表面形貌像（二次电子）或衬度像（背散射电子）等，所以扫描电镜的常用功能包括二次电子成像和衬度成像。
1.二次电子成像：用被入射电子轰击出的样品外层电子成像，能量低，只能表征样品表面。生物组织在高真空条件水分会快速挥发，影响并破坏样品形态。生物样品必须经过干燥才能进行扫描电镜观察。含水的特殊生物样品也可以通过低真空模式（成像质量下降）或冷冻传输的方法进行观察。干燥方式一般有冷冻真空干燥和临界点干燥两种，其中临界点干燥法是我们常用的方法，它可以消除液体表面张力对脱水过程中样品形态的影响。干燥后的样品还需要用真空镀膜仪在表面喷镀一层导电金属，镀膜厚度控制在5-10nm为宜，用来消除荷电效应，减少热损伤，并提高在扫描电镜中定位检查所需的二次电子信号。
2.衬度成像：电子照射到待测样品的过程中，样品能发射一部分电子，背散射电子探头就会检测到这些电子，从而产生相应的电信号，通过放大电路 之后，在对其进行相应的转换，后在检测器 上显示相应待检测样品表面的相关信息图像。背散射电子的数量主要与样品的原子序数有关，原子序数越大，反射的背散射电子就越多，因此可以用来对重金属加强染色的生物样品进行背散射电子成像，得到类似于透射电镜成像的效果。
目前我们主要依赖于场发射扫描电镜对树脂包埋的样品进行连续切片扫描后获得序列图像，由此得到第三维度的信息。场发射扫描电镜XY的分辨率已达到2nm以上，Z轴分辨率由切片的厚度决定，现有三种策略：系列块表面（SBF-SEM）、原位聚焦离子束切割（FIB-SEM）和自动化带式收集超薄切片（ATUM-SEM）。我们实验室较早采用ATUM-SEM技术开展纳米尺度上神经网络连接和脑图谱绘制的工作，该技术最大优势在于样品可一直保存和重复成像。将连续切片按顺序收集在支持条带或硅片上，放入扫描电镜中利用高通量自动化图像采集软件进行序列成像，获得样品的三维图像数据堆栈。这些海量数据的处理和分析、目标结构的分割和3D渲染等环节都具有较强的挑战性。然而，SBF-SEM技术则是将配有钻石刀的超薄切片机整合到扫描电镜中，对暴露出的样品表面进行自动连续切片和系列背散射电子成像。FIB-SEM的成像原理与SBF类似，不同之处在于聚焦离子束替代了钻石刀切割，实现了更高的Z轴分辨率，在小体积生物样品的三维重构研究中应用非常广泛。
四、电镜在神经生物学中的应用与展望
电镜技术作为纳米级的生物学成像技术，为神经系统超微形态学观察、疾病病理诊断和神经环路连接图谱绘制提供了二维或三维精细结构信息。神经系统具有复杂的生物结构，有比较粗大的神经纤维、神经突起（最小直径约200 nm），也有很多精细的结构如突触间隙约20 nm及其中的囊泡（直径约30 nm）。神经组织的另一个显著特点是神经元有大量的神经突起或投射到其它神经核团上产生联系，这些神经突起、相互连接可以延伸很长的距离，甚至可以达到数毫米，构成极其复杂的神经网络。全脑神经网络连接具有极精细结构和不规则投射途径促进了体电镜技术的发展，也是当前神经生物学研究的重点之一。
除此之外，光电关联技术（CLEM）在神经环路连接中的应用也较多，该技术是将FM和EM技术进行优势互补，集成应用于同一个细胞对象上，可获取多重结构信息和高分辨率。由于电镜无法感知荧光信号，在电镜里找到荧光所确定的感兴趣区域，并让两种图像准确叠合成同一信息，是关联成功的关键。CLEM的工作流程以模板化组合，但不管哪种方案目标都是最大限度的保留来自光学和电子显微镜的图像信息，尽量在EM成像之前拍好FM，避免电子束和高真空对荧光信号产生漂白作用。样品制备的基本原则是在保存荧光信号和获得高衬度电镜结构之间找到平衡点。另外，图像配准时可利用内源性的标志物如血管、细胞核、髓鞘等结构以微米精度进行逐步关联。
生物电镜的样品制备原理虽然大同小异，但生物类型、样品来源、实验目标的不同决定了制样方案的多样化，这就对电镜工作者提出了更高的经验要求。非标准化流程的电镜实验数量的增多，更需要依赖多元化的制样和成像方案。电镜技术平台作为一个专业性极强的团队，在现有仪器的基础上，会不断开发新的电镜方法和设备的使用功能，为科研用户提供一站式高质量技术服务，为科研项目提供了更好的技术保障。
电镜技术平台工作人员合影
作者简介：孔妤，博士，正高级工程师，现任中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心电镜技术平台主管，上海市显微学学会理事。从事神经生物学电镜技术和神经组织超微结构研究多年，承担青年促进会、上海市科委等多项课题项目，发表国内外研究论文十余篇。近年来主要从事微观脑网络结构分析与重构技术、光镜电镜联用技术、免疫电镜技术等在神经环路连接研究中的应用，技术全面，经验丰富，为科研工作者论文的发表提供了高水平的技术支撑服务。
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