哈工大突破高通量超分辨显微成像难题

高通量成像——大视场细胞骨架微管成像

研究团队将SACD方法应用于转盘共焦（Spinning Disk Confocal，SDC）系统，实现了对毫米级（2毫米×1.4毫米）视场内微管的高通量超分辨成像，包含多达2000个细胞。传统SOFI需要几乎半天的连续采样才能对整块区域完成重建，而SACD只需10分钟便可达到更加优越的成像性能。在任意区域中，SACD都保持了极高的分辨率，能够清晰地分辨邻近的微管结构，解析出转盘共焦显微系统无法得到的高频信息。

活细胞长时程成像——活细胞线粒体外膜动态成像

为了克服低信噪比与长时程的活细胞成像条件，李浩宇团队在SACD的基础上引入了之前开发的稀疏解卷积技术（该团队于去年发表在《自然生物技术》期刊上，Weisong Zhao et al.，Nature Biotechnology，40，606–617，2022）。Sparse-SACD使快速而复杂的细胞器动态过程得以可视化，实现在超过10分钟的时间内对COS-7活细胞线粒体进行快速动态成像。得益于该技术的高通量与稳定性，线粒体被解析为中空的膜状细胞器，整个细胞中线粒体的裂变和融合过程都被清晰地记录下来。

最后，研究者使用SACD技术进行了全活细胞四维超分辨成像，即在超过10分钟时间（成像温度37°C）内对COS-7活细胞的线粒体外膜网络进行三维超分辨体成像（下图）。与传统共焦系统相比，精细结构的可见性得到了根本性提高，线粒体被清晰地成像为锐利的中空膜结构。通过稀疏性和连续性的双重约束，SACD高保真地实现了随时间变化的全细胞线粒体裂变与融合成像。

图为活体四维超分辨成像。转盘共焦显微镜（SD-confocal，左）和Sparse-SACD（右）在37°C下对Skylan-S-TOM20标记的活COS-7细胞进行四维成像。比例尺：5微米。 

形象地说，分布在荧光背景中的单个分子波动信号就像“迷雾中闪烁的星星”，SACD在计算统计量之前尽可能地消除了这种“迷雾”，以便在真实的生理环境下实现高质量的超分辨成像。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。

值得一提的是，SOFI技术的发明者、德国乔治-奥古斯都-哥廷根大学教授安德雷恩（J.Enderlein）是该工作的审稿人之一。安德雷恩教授表示：“在涨落分析之前进行预解卷积的想法很新颖，非常合理，因为这应该是消除虚假涨落的好方法”“使用这种技术呈现的图像质量非常好”“我认为所提出的方法会是更优的”。

哈工大李浩宇教授和北京大学陈良怡教授为论文的通讯作者；哈工大助理教授赵唯淞为论文的第一作者，论文共同第一作者还包括北京大学赵士群副研究员、哈工大博士研究生韩镇谦和丁相妍，论文的共同通讯作者还包括哈工大丁旭旻教授和北京大学郭长亮副研究员。哈工大谭久彬院士为论文共同作者和哈工大科研团队负责人。该项研究成果主要由哈工大仪器学院和北京大学未来技术学院合作完成，哈工大为论文第一通讯单位。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01234-9