我国学者在活细胞快速三维超分辨成像技术方面取得进展

图 4Pi-SIM活细胞快速三维结构光照明成像技术

　　在国家自然科学基金项目（批准号：32150015）等资助下，西湖大学生命科学学院章永登团队与北京大学黄小帅团队、重庆邮电科技大学范骏超团队、北京大学陈良怡团队合作，在活细胞快速三维超分辨成像技术开发方面取得突破。相关成果以“利用4Pi-SIM超分辨显微成像系统在各向同性100纳米分辨率下揭示亚细胞结构和动态（Elucidating subcellular architecture and dynamics at isotropic 100 nm resolution with 4Pi-SIM）”为题，于2024年12月23日在线发表在《自然•方法》（Nature Methods）期刊上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41592-024-02515-z。

　　细胞作为生命的基本单元，其内部众多细胞器存在着不同的精细结构与分工，执行着不同的生命活动。因此，在三维空间中观察和研究活细胞亚细胞结构的动态行为对细胞生物学发展具有重要意义。三维结构光照明显微镜（3D-SIM）能够将三维空间分辨率提升至宽场显微镜的两倍，且具有光毒性低、成像速度快与兼容传统荧光探针的优点，特别适合活细胞的三维延时成像。然而，3D-SIM的轴向分辨率（约300纳米）远低于横向分辨率（约100 纳米），这种各向异性的分辨率会导致图像细节模糊和整体失真。

　　在该项目中，研究者基于4Pi单分子超分辨显微镜和海森结构光照明显微镜的研究经验，对4Pi-SIM显微镜的光学结构和机械结构进行了精心设计（图），最大程度地降低了热波动和机械振动的影响，确保了六束光干涉对齐和荧光干涉的长期稳定性；通过引入锁焦模块，系统能够保证两个物镜精确对齐；通过设计光程差调节模块，系统能够快速、精确地将上下干涉臂的光程差微调至零；此外，系统采用新颖的照明模块，并改进了重建算法，自适应地估计和补偿原始数据中系统光程差不匹配导致的相位误差，从而最大限度地减少长时程成像时的重建伪影。这些技术创新使得4Pi-SIM系统能够以极高的清晰度和细节揭示各种亚细胞结构，包括微管、内质网、线粒体、高尔基等。

　　此外，4Pi-SIM首次在活细胞上实现了三维各向同性100纳米的三维动态成像，成像时程可达数小时，可采集数百个时间点，体成像速度最高可达0.7 Hz。最后，4Pi-SIM还具备同时双色成像能力，能够捕捉三维空间内不同细胞器之间的快速相互作用过程。综上，4Pi-SIM展示了真正意义上的高保真三维各向同性分辨率活细胞超分辨成像能力，在活细胞超分辨率成像领域迈出了重要一步，在阐明纳米尺度的亚细胞动态行为方面具有巨大潜力。