突破高通量超分辨显微成像难题提升提升两个数量级

近日，哈工大仪器学院研究团队在生物医学超分辨显微成像技术领域取得突破性进展。团队提出基于计算光学成像的新一代高通量三维动态超分辨率成像方法， 突破了现有显微成像技术在高通量视场、高空间分辨率和高时间分辨率等难以兼顾的难题。研究成果以《通过增强荧光涨落检测实现高通量超分辨率成像》为题，在线发表于国际权威杂志《自然光子学》。

近年来，随着高强度激光、高灵敏探测器等光电器件研制技术以及新型荧光探针开发等相关领域的快速发展，超分辨显微成像技术(SRM)快速发展，突破了光学显微衍射极限，也为现代生物医学研究提供了强有力的工具，使生物学家得以对病态细胞内的亚细胞结构进行精准的量化统计和直观的可视化分析。

但是目前常见的超分辨技术需要复杂的图像采集设备和特定的成像控制，同时存在时间分辨率低、成像通量不足等问题，使其难以在生物医学中广泛应用。为此，哈工大研究团队针对基于荧光涨落物理特性的超分辨成像技术(SOFI)提出了相应的解决方案。

SOFI是一种经典的基于统计学的超分辨方法，其限制主要在于需要1000帧以上的原始图像用于重建，因此难以满足对于大视场和细胞器瞬时动态等研究的高通量成像需求。团队提出了 自相关两步解卷积超分辨成像（SACD）。SACD在计算超分辨统计量前对原始图像进行预解卷积，这一独特的处理增强了荧光信号的开关对比度，更高效地利用信息，从而缩减了重建所需的原始图像数量。随后再将解卷积作为后处理步骤，进一步提升空间分辨率。最终，SACD可以将重建所需原始图像数量缩减两个数量级以上，并使空间分辨率提升超过两倍多。

在实验中，SACD可在10分钟内对包含超过2000个细胞的视场上实现了128纳米的超高空间分辨率成像，将目前世界上超分辨显微镜中最高通量视场成像范围提升至毫米级。

此外，团队还在SACD的基础上引入了之前开发的稀疏解卷积技术，克服了低信噪比与长时程的活细胞成像条件，使快速而复杂的细胞器动态过程得以可视化。

通过充分利用原始图像中的荧光涨落信息，SACD打破了现有超分辨技术的通量限制以及需要特殊光学控制的设备限制，同时还能够直接应用于现有商业化共焦荧光显微镜系统(或其他任何荧光系统)中， 有助于低成本、高通量地进行相关生物医学研究，有望成为生物学家分析细胞结构和瞬态动力学的常规仪器。

编辑点评：SRM技术突破了光学显微衍射极限, 其取得的巨大发展为生物医学研究提供了强有力的工具，但作为一种新兴技术，在实际应用于生物医学研究时仍面临着许多亟待解决的问题，尤其是当研究对象是活的、具有一定厚度的、成分和结构复杂的细胞、组织等生物样品时。哈工大团队的研究成果突破了高通量超分辨显微成像难题，进一步推动了SRM技术在生物医学中的广泛应用，是我国在高端仪器领域取得的重大成果。

（来源：哈尔滨工业大学）