用普通共聚焦显微镜实现超分辨率单分子荧光成像

传统的细胞及其内部分子显微观察通常使用荧光染料，然后再用不同分辨率的显微术照亮单个分子和与其互动的其他物质。如下图所示，普通共聚焦显微镜和超分辨率显微镜的精准度差异一目了然。

（普通共聚焦显微镜观察图，比例尺10μm。图片来自发表文章DOI: 10.1038/s41467-017-00688-0）

（随机光学重构显微镜观察图，比例尺2μm。图片来自发表文章DOI: 10.1364/BOE.8.005087）

然而，一张超分辨率细胞图往往需要高度专业化技能和昂贵设备作为支撑。全球有多少实验室能为单分子观察提供成熟的平台？

为了让更多生物医学研究者享受超分辨率显微术，哈佛Wyss生物工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）尹鹏（Peng Yin）博士和Max Planck研究所（Max Planck Institute，MPI）的Ralf Jungmann博士等人共同开发了一款强大的分子成像技术“DNA-PAINT”，它可以与一般细胞生物学实验都有、但分辨率较低的共聚焦显微镜配套使用，实现细胞内各种分子，如蛋白质、RNAs和DNA的超分辨率观察。

这篇发表于《Nature Communications》最新文章，推开了普及“纳米级单分子细胞精准定位研究”的一扇大门。

DNA-PAINT方法用一个DNA锚定链与目标分子相连，一个带染色标签的DNA成像链携带锚定链互补序列，成像链与锚定链瞬时接触，就会产生一个荧光信号。并非持久的发光形式，这种闪烁型荧光信号，能以更高的分辨率区分纳米级的分子间距离。

利用这种方法，研究人员可以清晰地观察到细胞核内独立的生物分子，包括DNA序列、蛋白质-DNA复合物、核RNAs，以及围绕细胞核的核膜。

应用SDC-PAINT观察细胞骨架微丝(绿色)和微丝相邻两种蛋白TOM20 (红色) 和HSP60 (蓝色)，最下方是SDC-PAINT显微术(左)和共聚焦显微术(右)效果差异，比例尺 5μm (第一张图)、500nm (后三张图)。图片来源：MPI /Wyss研究所最新发表文章Doi:10.1038/s41467-017-02028-8

共聚焦显微镜的原理是利用针孔（pinholes）消除上方和下方的失焦荧光。通过多次逐盘扫描，研究人员得以深层次地获得目标分子偶联的染料发出的荧光信号。

MPI /Wyss研究所的技术团队开发改造的一款“旋转盘共聚焦（Spinning Disk Confocal，SDC）”显微镜，包括多个针孔，该装置能通过旋转的方式让研究人员连续观察整盘细胞。除此之外，为了实现“3D 超分辨率观察”，他们还设计了一个 镜头“补丁”，将其放在观察路径上，研究人员可以在亚衍射极限分辨率下观察细胞内分子的立体图像。

对显微镜制造商来说，这些配件并不难生产，意味着SDC显微镜只需在原有共聚焦显微镜的基础上进行简单升级改造，就能大幅提高细胞内观察的分辨率。

“我们新开发的这款SDC-PAINT集合了DNA-PAINT的超分辨率和共聚焦显微镜的光学分段装置特征，”Yin和Jungmann说。“这种亲民化的超分辨成像方法在细胞和组织学研究领域极具推广潜力。”

“这是一项重要的技术创新，对生物医学研究人员来说，该方法简单易行，如果得到普及将加快我们对细胞内单个分子功能的探索，”Wyss研究所创始主任Donald Ingber博士评价。

原文：Multiplexed 3D super-resolution imaging of whole cells using spinning disk confocal microscopy and DNA-PAINT