膜生物學國家重點實驗室發明了超靈敏海森結構光超高解析度顯微鏡

2021-01-09 中華人民共和國科學技術部

　　膜生物學國家重點實驗聯合華中科技大學發明了一種超靈敏結構光超高解析度顯微鏡海森結構光顯微鏡 （Hessian SIM)，實現了活細胞超快長時程超高解析度成像，能辨清囊泡融合孔道和線粒體內嵴動態。在每秒鐘得到188張超高解析度圖像時，海森結構光顯微鏡的空間解析度可以達到85納米，能夠分辨單根頭髮的1/600到1/800大小結構，而所需要的光照度小於常用的共聚焦顯微鏡光照度三個數量級。同時，該顯微鏡也實現了細胞「能量工廠」線粒體的超快超分辨成像，首次在活細胞中解析線粒體融合、分裂時內嵴的活動，及線粒體內嵴自身的重組裝過程，並能夠觀察內質網與線粒體發生相互作用時的動態變化。

　　與獲得2014年Nobel化學獎的受激輻射損耗超高解析度顯微鏡（STED）相比，其具有極高的時間解析度、極低的光毒性，在活細胞超高解析度成像方面優勢顯著。

海森結構光顯微鏡解析囊泡融合孔道形成全過程。上圖：實際的動態過程解析；下圖：由實驗結果得到的囊泡融合的四個中間態。

　　靈敏海森結構光超高解析度顯微鏡的成功驗證，一方面基於新偏振旋轉玻片陣列、高精度的時序控制程序以及高數值孔徑物鏡等硬體的自主研製；另一方面是重構算法的創新，首次提出將生物樣本在多維時空上連續，而噪聲是完全隨機分布的先驗知識用於構建海森矩陣，指導超高解析度螢光圖像的重建。
　　超靈敏海森結構光顯微鏡適用於各種細胞、不同探針的螢光成像。可以說，所有應用點掃描共聚焦顯微鏡的場景都可以使用海森結構光顯微鏡，因而具有廣泛的應用前景。
　　此項研究成果以題為「Fast, long-term, super-resolution imaging with Hessian structured illumination microscopy」 以全文形式於近日在線發表於Nature Biotechnology 上。

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