原標(biāo)題：三維光學(xué)超分辨成像：打開(kāi)活細(xì)胞觀察新視野

中國(guó)科技網(wǎng)·科技日?qǐng)?bào)訊（記者江耘）近日,，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院劉旭教授和匡翠方教授課題組提出了一種新穎的光學(xué)成像技術(shù)——多角度干涉顯微鏡（MAIM）,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物體內(nèi)活細(xì)胞的多色,、長(zhǎng)時(shí)程、高速和三維超分辨成像,，為微管,、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體和細(xì)胞膜等亞細(xì)胞器的生物動(dòng)力學(xué)分析提供了有力的研究工具,。這項(xiàng)研究發(fā)表在知名期刊《自然·通訊》上,。

研究從諾貝爾獎(jiǎng)開(kāi)始

沈復(fù)在《浮生六記》中曾寫道，余憶童稚時(shí),，能張目對(duì)日,，明察秋毫，見(jiàn)藐小之物必細(xì)察其紋理,，故時(shí)有物外之趣,。

到了現(xiàn)代社會(huì)，要看清楚微觀世界,，人們研究出了顯微鏡,。

為滿足紛繁復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)要求，顯微鏡已經(jīng)衍生出多個(gè)門類,。以光學(xué)顯微鏡而言,，就有便于測(cè)定礦物光學(xué)常數(shù)的紅外顯微鏡，用于鑒定物質(zhì)細(xì)微結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的偏光顯微鏡,，適合觀察活細(xì)胞,、進(jìn)行定點(diǎn)光漂白實(shí)驗(yàn)的雙光子熒光顯微鏡等，它們?cè)诓煌瑮l件下各具優(yōu)勢(shì),，同時(shí)也有各自的技術(shù)局限,。

2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了超分辨熒光顯微技術(shù)的發(fā)明者,，這一技術(shù)利用特定的熒光染料實(shí)現(xiàn)光學(xué)的超分辨，突破衍射極限,，到達(dá)200納米以下的尺度,。科學(xué)家們可以通過(guò)光學(xué)顯微鏡,，看到細(xì)胞的精細(xì)結(jié)構(gòu),。

劉旭介紹，這項(xiàng)技術(shù)也有自己的弊端,，比如對(duì)熒光染料有特殊的擦除或者開(kāi)關(guān)效應(yīng)要求,，或需要獲取成百上千張?jiān)紙D像以重構(gòu)超分辨圖像，因此成像時(shí)間較長(zhǎng),?！岸虅t十幾秒，長(zhǎng)則幾十分鐘才能獲得一張超分辨圖像,，對(duì)于捕捉活細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)瞬間仍舊困難重重,。”

劉旭還告訴記者,，現(xiàn)有超分辨顯微還有一個(gè)較大的瓶頸是,，在大多數(shù)情況下，成像需要很強(qiáng)的激發(fā)光,，這對(duì)細(xì)胞,，尤其是活細(xì)胞來(lái)說(shuō)很不友好，常常會(huì)將細(xì)胞殺死,。而且強(qiáng)光照射也會(huì)導(dǎo)致熒光分子被快速漂白,，無(wú)法對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)程成像。

因此,，如何規(guī)避現(xiàn)有的瓶頸,，捕捉到活體狀態(tài)下亞細(xì)胞、蛋白的運(yùn)動(dòng),，成為了課題組要攻克的難題,。

洞見(jiàn)新世界探尋生命原理

課題組提出了一種基于非共軸干涉系統(tǒng)的新型光學(xué)成像技術(shù)。該方法結(jié)合了結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)和多角度全內(nèi)反射照明顯微技術(shù),，適用于任何熒光染料標(biāo)記下的超分辨成像,。

常規(guī)光學(xué)顯微鏡的分辨率具有極限，在可見(jiàn)光照明區(qū)域,，橫向極限分辨率是成像光波長(zhǎng)的一半(250-300納米),，軸向上500-600納米。而結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)只將橫向和軸向分辨率上提升了一倍,。

課題組巧妙地把多角度全內(nèi)反射照明引入到結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)中,，實(shí)現(xiàn)了橫向分辨率~100納米，軸向分辨率~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(guò)利用變角度倏失場(chǎng)照明下的結(jié)構(gòu)光成像，并結(jié)合計(jì)算成像模型,，使得三維成像速度大大提升,。同時(shí)由于所需光劑量低，成像速度快,，減少了熒光漂白,，有利于長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)。對(duì)活細(xì)胞內(nèi)線粒體和微管的成像結(jié)果如圖2所示,，揭示了它們的三維動(dòng)態(tài)變化,。

“對(duì)細(xì)胞膜附近的細(xì)胞器進(jìn)行三維快速超分辨成像，可以為亞細(xì)胞研究提供可能,，揭示生命內(nèi)在規(guī)律,。”對(duì)此,，劉旭舉了如下例子：過(guò)去進(jìn)行藥物效果實(shí)驗(yàn),，大多只能通過(guò)整體的結(jié)果研究來(lái)了解藥物療效，而無(wú)法研究藥物是如何穿透細(xì)胞膜,，如何運(yùn)動(dòng)以及如何相互作用的,。未來(lái)就可通過(guò)MAIM顯微鏡，了解這些動(dòng)態(tài)過(guò)程,，從而大大提高各種研究的效率,。

這一新穎的成像技術(shù)已經(jīng)研制成儀器，目前正在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中,。