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三維電子顯微影像重建-愛因斯坦醫學院休假研究紀實

第104期-三維電子顯微影像重建-愛因斯坦醫學院休假研究紀實

 

三維電子顯微影像重建-愛因斯坦醫學院休假研究紀實

解剖科 柳文卿 副教授

  在解剖科教學人力長年吃緊的情況下我有幸地獲得在 2010 年休假的機會得以回到三十年前開啓我學術生涯的美國進行長達八個月的客座研究工作。行前我參加了白浪冒險學校在烏來的溯溪活動被帶到約有五層樓高的斷崖邊自行決定是否跳下那不到三秒鐘自由落體的經歷覆蓋了先前躊躇煎熬的記憶對年過半百、學術工作面臨極大困境的我此行正如丹麥哲學家祁克果所言信心的一躍”。

  參訪的紐約阿伯特愛因斯坦醫學院 ( Albert Einstein College of Medicine ),位於紐約市布朗區隸屬於猶太人所創辦的耶西華大學 ( Yeshiva University )。 2008 年起它的新院訓是:“Science at the Heart of medicine”( 科學心繫醫學 )。又因為它是唯一經愛因斯坦本人同意以其為名的機構所以在院區內有不少他的名言雋刻例如:Anyone who has never made a mistake has never tried anything new. ( 未曾犯下任何錯誤的人即是未曾嚐試任何新事物的人。)Imagination is more important than knowledge. Knowledge is limited. Imagination Encircles the world. ( 想像力比知識重要知識受限於想像力所界定的範疇。) 這些語錄提示著勇敢創新的精神對航向未知的研究人員給予無比的信心與鼓勵

  愛因斯坦醫學院僅提供研究所學程以培育臨床及醫學研究人才為主入學人數每年不到三百卻有三百個研究實驗室師生比高達 3.3:1。所有獲得入學許可的研究生學費全免並有每年三萬美金的津貼。然而愛因斯坦醫學院所誇耀的卻是它的教師行列在開辦之初紐約時報即預言「以其傑出之師資陣容必可確保該學院在世界之偉大醫學院名單裡佔有一席之地」時至今日院長在寫給新進教師的聘任信中仍再次強調「自 1955 年創院以來本院最獨特的強項就是師資」對教師的重視不只是口號而已它有教師發展中心 ( office of faculty development ) 的編制循環舉辦各樣實用的課程並保證新進教師有研究經費的補助還有博士級的行政人員輔助對外各項校外計劃之申請林林總總對教師專業的培育可謂相當用心猶太人向來給人刁鑽吝嗇的感覺但是這種「既要馬兒跑就給馬兒吃得飽」的策略修正了我偏差的看法

  我所參與的研究室位於神經科學所稱線蟲解剖中心主持人為 Dr. David H. Hall。美國國衞院給予他科學教育類的經費建構了兩個網站其一為線蟲圖譜 http://www.wormatlas.org 是所有想要了解線蟲構造的人必會造訪的網站其二是線蟲影像資料庫 http://www.wormimage.org,它將早期線蟲研究者所累積的珍貴連續切片照片數位化成為公開的科研資產然而能夠將這些二維影像堆疊於腦中重建其三度空間全貌者大概只有 David Hall 一人有效地傳遞三度空間的知識必須藉助描圖及模型建構拜電腦繪圖能力不斷提昇之賜目前已可用視覺化軟體來重建該實驗室近年來則針對帶有基因改造之線蟲株做形態學的分析改採高壓急速冷凍方式製備樣品配合後續的電子顯微鏡三維斷層顯像術 ( electron microscope tomography )。以下就二者在線蟲解剖上之應用作簡單的介紹

  線蟲是被廣泛使用的一種模式生物由於其外殼有幾丁質包裹和植物細胞類似不容易用液體滲透的方式加以固定近年來所發展出來的急速冷凍技術則可以解決這個問題所謂高壓急速冷凍法就是在兩千個大氣壓力下施加液態氮使生物樣品瞬間固定其內所含的水分子也可在這個急速冷凍的狀況下直接轉換成玻璃冰 ( vitrified ice ),避免體積較大的立體冰晶 ( cubic ice ) 產生傷害到組織線蟲的長度 1 毫米、直徑 60 微米這個尺度容許全蟲固定而後製的橫斷切面也可以完整納入電子顯微鏡的視野不必縫接可謂恰到好處

  一般而言生物樣品切片使用穿透式電子顯微鏡觀察其解析度在一個奈米上下這個數字指的是 X Y 軸方向的解析度至於 Z 軸方向的解析度就取決於切片的厚度了它大致介於 30-100 奈米之間然而電子顯微鏡的景深在微米的範圍也就是切片厚度的十倍以上所有包含在切片之內的構造均以堆疊 ( superimpostion ) 的方式投射成二維影像對於比切片厚度還要小的構造例如細胞囊泡的融合點則無法得知其 Z- 軸方向的正確位置今將三維斷層顯像 ( tomography ) 技術應用在線蟲上可大大提昇其切片樣品在 Z- 軸方向的解析度它的做法是收集一系列試片在  ±70° 之間傾斜的投影共計約百餘張的影像利用電腦進行比對、校正、 補償、重組。得到一組在 Z- 軸方向,每隔 3 奈米的連續斷層切片 ( virtual serial sections ) 影像;之後交給具有判讀能力的研究者進行標誌 ( segmentation )。其中影像收集的部份最為關鍵雖然儀器商可以提供軟體但實際上的運作對僅有生物背景的研究人員而言仍有當高的門檻

  下圖為線蟲雙器指狀細胞的三維模型,係建構自 15 片的 250 奈米實體切片,含 1256 層斷層切片,總長 3.75 微米,由副研究員 Ken Nguyen 製備樣品,於紐約結構生物學中心 ( New York Structural Biology Center http://www.nysbc.org/ ),在 Dr. William Rice 協助之下,取得的三維斷層影像,加以重建標誌而成的,在此一併誌謝。

線蟲雙器指狀細胞的三維模型

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