我國學者在活細胞快速三維超分辨成像技術方面取得進展

圖 4Pi-SIM活細胞快速三維結構光照明成像技術

　　在國家自然科學基金項目（批準號：32150015）等資助下，西湖大學生命科學學院章永登團隊與北京大學黃小帥團隊、重慶郵電科技大學范駿超團隊、北京大學陳良怡團隊合作，在活細胞快速三維超分辨成像技術開發方面取得突破。相關成果以“利用4Pi-SIM超分辨顯微成像系統在各向同性100納米分辨率下揭示亞細胞結構和動態（Elucidating subcellular architecture and dynamics at isotropic 100 nm resolution with 4Pi-SIM）”為題，于2024年12月23日在線發表在《自然?方法》（Nature Methods）期刊上。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41592-024-02515-z。

　　細胞作為生命的基本單元，其內部眾多細胞器存在著不同的精細結構與分工，執行著不同的生命活動。因此，在三維空間中觀察和研究活細胞亞細胞結構的動態行為對細胞生物學發展具有重要意義。三維結構光照明顯微鏡（3D-SIM）能夠將三維空間分辨率提升至寬場顯微鏡的兩倍，且具有光毒性低、成像速度快與兼容傳統熒光探針的優點，特別適合活細胞的三維延時成像。然而，3D-SIM的軸向分辨率（約300納米）遠低于橫向分辨率（約100 納米），這種各向異性的分辨率會導致圖像細節模糊和整體失真。

　　在該項目中，研究者基于4Pi單分子超分辨顯微鏡和海森結構光照明顯微鏡的研究經驗，對4Pi-SIM顯微鏡的光學結構和機械結構進行了精心設計（圖），最大程度地降低了熱波動和機械振動的影響，確保了六束光干涉對齊和熒光干涉的長期穩定性；通過引入鎖焦模塊，系統能夠保證兩個物鏡精確對齊；通過設計光程差調節模塊，系統能夠快速、精確地將上下干涉臂的光程差微調至零；此外，系統采用新穎的照明模塊，并改進了重建算法，自適應地估計和補償原始數據中系統光程差不匹配導致的相位誤差，從而最大限度地減少長時程成像時的重建偽影。這些技術創新使得4Pi-SIM系統能夠以極高的清晰度和細節揭示各種亞細胞結構，包括微管、內質網、線粒體、高爾基等。

　　此外，4Pi-SIM首次在活細胞上實現了三維各向同性100納米的三維動態成像，成像時程可達數小時，可采集數百個時間點，體成像速度最高可達0.7 Hz。最后，4Pi-SIM還具備同時雙色成像能力，能夠捕捉三維空間內不同細胞器之間的快速相互作用過程。綜上，4Pi-SIM展示了真正意義上的高保真三維各向同性分辨率活細胞超分辨成像能力，在活細胞超分辨率成像領域邁出了重要一步，在闡明納米尺度的亞細胞動態行為方面具有巨大潛力。