浙大科學家提出三維光學超分辨成像新方法

近日，浙江大學光電科學與工程學院劉旭教授和匡翠方教授課題組提出了一種新穎的光學成像技術——多角度幹涉顯微鏡（MAIM），實現了對生物體內活細胞的多色、長時程、高速和三維超分辨成像，為微管、內質網、線粒體和細胞膜等亞細胞器的生物動力學分析提供了有力的研究工具。這項研究發表在知名期刊《自然·通訊》上。

研究從諾貝爾獎開始

沈復在《浮生六記》中曾寫道，餘憶童稚時，能張目對日，明察秋毫，見藐小之物必細察其紋理，故時有物外之趣。

到了現代社會，要看清楚微觀世界，人們研究出了顯微鏡。

2014年的諾貝爾化學獎頒發給了超分辨螢光顯微技術的發明者，這一技術利用特定的螢光染料實現光學的超分辨，突破衍射極限，到達200納米以下的尺度。科學家們可以通過光學顯微鏡，看到細胞的精細結構。然而，這項技術也有自己的弊端，比如對螢光染料有特殊的擦除或者開關效應要求，或需要獲取成百上千張原始圖像以重構超分辨圖像，因此成像時間較長。短則十幾秒，長則幾十分鐘才能獲得一張超分辨圖像，對於捕捉活細胞的運動瞬間仍舊困難重重。

與此同時，現有超分辨顯微還有一個較大的瓶頸是，在大多數情況下，成像需要很強的激發光，這對細胞，尤其是活細胞來說很不友好，常常會將細胞殺死。而且強光照射也會導致螢光分子被快速漂白，無法對活細胞進行長時程成像。

因此，如何規避現有的瓶頸，捕捉到活體狀態下亞細胞、蛋白的運動，成為了課題組要攻克的難題。

看見一個新世界探尋生命的原理

課題組提出了一種基於非共軸幹涉系統的新型光學成像技術（系統圖如圖1所示）。該方法結合了結構光照明顯微技術和多角度全內反射照明顯微技術，適用於任何螢光染料標記下的超分辨成像。

圖1 MAIM系統示意圖，該系統主要由兩套掃描振鏡構成，用於控制照明光束的入射角和方位角，實現變角度倏失場照明下的結構光成像。

 

常規光學顯微鏡的解析度具有極限，在可見光照明區域，橫向極限解析度是成像光波長的一半(250-300納米) , 軸向上500-600納米。而結構光照明顯微技術只將橫向和軸向解析度上提升了一倍。課題組巧妙地把多角度全內反射照明引入到結構光照明顯微技術中，實現了橫向解析度~100納米，軸向解析度~40納米的三維超分辨成像。

在成像速度提升方面，課題組通過利用變角度倏失場照明下的結構光成像，並結合計算成像模型，使得三維成像速度大大提升。同時由於所需光劑量低，成像速度快，減少了螢光漂白，有利於長時程觀測。對活細胞內線粒體和微管的成像結果如圖2所示，揭示了它們的三維動態變化。

圖2 活細胞內線粒體（a，b）和微管（c，d）實驗結果。（a，c）橫向超分辨和衍射受限的低分辨成像結果；（b，d）三維超分辨動態成像結果（顏色代表軸向信息）。

 

負責人劉旭教授介紹，對細胞膜附近的細胞器進行三維快速超分辨成像，可以為亞細胞研究提供可能，揭示生命內在規律。對此，劉旭教授舉了如下例子：過去進行藥物效果實驗，大多只能通過整體的結果研究來了解藥物療效，而無法研究藥物是如何穿透細胞膜，如何運動以及如何相互作用的。未來就可通過MAIM顯微鏡，了解這些動態過程，從而大大提高各種研究的效率。這一新穎的成像技術已經研製成儀器，正在產業化。

本項研究的合作單位包括中北大學和華中科技大學，研究得到科技部973項目和國家自然科學基金委員會重大儀器等項目的資助。

 

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-018-07244-4

部分圖片由課題組提供

（文 柯溢能/攝影 盧紹慶）