北大跨院系團隊發明超分辨螢光輔助衍射層析技術 觀察到細胞器互作...

2020-12-11 北京大學新聞網

近日，北京大學分子醫學所和物理學院的團隊緊密合作，將三維無標記光學衍射層析顯微成像與二維海森結構光超分辨螢光成像技術相結合，發明了一種新的雙模態超解析度顯微鏡。該新技術被命名為超分辨螢光輔助衍射層析技術（SR-FACT），讓科學家首次看到細胞內真實全景超解析度圖像。相關成果以「Super-resolution fluorescence-assisted diffraction computational tomography reveals the three-dimensional landscape of the cellular organelle interactome」於1月28日發表在國際高水平期刊Light: Science & Applications上，並已經申請了相關專利。

受限於較寬的發射光譜、光漂白和光毒性,目前的超分辨螢光成像技術僅能對有限幾種螢光標記同時成像，同時也很難實現活細胞中的三維長時程超解析度成像。另一方面，無標記成像可以實現無損三維成像，但是它也受限於低空間解析度和對比度，另一方面缺乏特異標記也限制了它的生物醫學應用。為了克服這些瓶頸，北京大學跨院系團隊通力合作，研發出來的SR-FACT成像技術同時具備超高解析度、足夠對比度和三維成像能力，能夠實現活細胞雙模態超解析度成像。其中螢光超分辨解析度優於100納米，而無標記三維成像的解析度為XY方向200 納米，Z方向500納米左右；在40×40×20μm3的視場中，雙模態活細胞超解析度成像的時間解析度可以達到0.8Hz。

COS-7細胞分裂過程的無標記光學衍射層析三維成像結果

六種細胞器在SR-FACT下的共定位成像結果

 同一黑色液泡小體分別協調與線粒體、溶酶體以及脂滴的結合和分離

應用SR-FACT，他們證明無需標記就可以同時高速三維成像活細胞內線粒體、脂滴、核膜、染色體、內質網及溶酶體等多種細胞器的結構、動態以及相互作用的全景圖，並在多種細胞中都鑑定出來一種新的亞細胞結構，命名為「黑色液泡小體（dark-vacuole bodies）」，在細胞器互作網絡中起到中心作用，並參與細胞衰老過程。這些結果也展示了SR-FACT在細胞生物學研究及生物醫學成像領域的廣泛應用前景，例如無標記、長時間、三維超解析度的觀察細胞內的相分離過程，細胞間外泌體通訊，細胞內吞過程以及病毒入侵等過程。論文第一作者北京大學博士後董大山、博士後黃小帥和博士研究生李柳菊，通訊作者是物理學院的施可彬研究員和分子醫學所的陳良怡教授，合作者還包括數學學院毛珩老師和中科院動物所劉光慧研究員。

該項工作得到納光電子前沿科學中心、介觀物理國家重點實驗室、膜生物學國家重點實驗室、麥戈文腦科學研究所、國家自然科學基金、國家科技重大專項、北京市自然科學基金、國家博士後創新人才計劃、中國博士後科學基金和北京大學高性能計算校級公共平臺的支持。團隊成員也承擔由北京大學牽頭的十三五「多模態跨尺度生物醫學成像」國家重大科技基礎設施建設任務，這個工作也充分體現學科交叉在發展尖端成像技術中的重要作用。

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