光學(xué)超分辨顯微成像重大突破！分辨率提高到100納米以下

2021.11.17

　　近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器學(xué)院現(xiàn)代顯微儀器研究所在光學(xué)超分辨顯微成像技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)在低光毒性條件下，把結(jié)構(gòu)光顯微鏡的分辨率從110納米提高到60納米，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)程、超快速、活細(xì)胞超分辨成像。11月16日，研究成果以《稀疏解卷積增強(qiáng)活細(xì)胞超分辨熒光顯微鏡的分辨率》（Sparse deconvolution improves the resolution of live-cell super-resolution fluorescence microscopy）為題，以長(zhǎng)文形式在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際權(quán)威雜志《自然－生物技術(shù)》（Nature Biotechnology，2020年影響因子54.908，只發(fā)表對(duì)生命科學(xué)領(lǐng)域有重大突破的工程技術(shù)）。

　　該項(xiàng)研究成果主要由哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器學(xué)院和北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院合作完成。哈爾濱工業(yè)大學(xué)為論文第一單位，哈工大博士生趙唯淞、北大博士后趙士群和李柳菊為論文共同第一作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)李浩宇副教授和北大陳良怡教授為論文共同通訊作者，我校劉儉教授和譚久彬院士均為論文共同作者和哈工大科研團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。合作單位還包括中科院國(guó)家納米中心、中科院生物物理所、武漢大學(xué)等。

　　顯微儀器的分辨能力代表人類(lèi)對(duì)科學(xué)探索的邊界，2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就授予了3位在超分辨率熒光顯微技術(shù)領(lǐng)域取得重要成就的學(xué)者。哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代顯微儀器研究所團(tuán)隊(duì)提出了一種可突破光學(xué)衍射極限的計(jì)算顯微成像算法，利用熒光成像的前向物理模型與壓縮感知理論，并結(jié)合稀疏性與時(shí)空連續(xù)性的雙約束條件，建立起一個(gè)通用的解算框架——稀疏解卷積技術(shù)，突破了現(xiàn)有光學(xué)超分辨顯微系統(tǒng)的硬件限制，擴(kuò)展了時(shí)空分辨率和頻譜。

　　在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了超快結(jié)構(gòu)光超分辨熒光顯微鏡系統(tǒng)（Sparse-SIM），該系統(tǒng)具有超分辨、高通量、非侵入、低毒性等特點(diǎn)，在高速成像條件下，具備優(yōu)于60納米的分辨率和超過(guò)1小時(shí)的超長(zhǎng)時(shí)間活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像性能。團(tuán)隊(duì)首次觀察到了胰島分泌過(guò)程中具有的兩種特征的融合孔道，第一次利用線(xiàn)性結(jié)構(gòu)光顯微鏡觀察到只有在非線(xiàn)性條件下才能分辨的環(huán)狀的不同蛋白標(biāo)記的核孔復(fù)合體與小窩蛋白。此外，研究人員還展示了利用該影像技術(shù)解析肌動(dòng)蛋白動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞深處溶酶體和脂滴的快速行為，并記錄了雙色線(xiàn)粒體內(nèi)外膜之間的精細(xì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

　　該項(xiàng)工作在物理和化學(xué)方法基礎(chǔ)上，首次從計(jì)算的角度提出了突破光學(xué)衍射極限的通用模型，實(shí)現(xiàn)了從0到1的原理創(chuàng)新，是目前活細(xì)胞光學(xué)顯微成像中分辨率最高（60納米）、速度最快（564幀/秒）、成像時(shí)間最長(zhǎng)（1小時(shí)以上）的超分辨顯微儀器。該技術(shù)框架也被證明適用于目前多數(shù)熒光顯微鏡成像系統(tǒng)模態(tài)，均可實(shí)現(xiàn)近兩倍的穩(wěn)定空間分辨率提升，為精準(zhǔn)醫(yī)療和新藥研發(fā)提供了新一代生物醫(yī)學(xué)超分辨影像儀器，使未來(lái)大幅度加速疾病模型的高精度表征成為可能。