北大教授研发出超灵敏结构光超高分辨率显微镜

2018年4月16日16:00:34 发表评论

北大教授研发出超灵敏结构光超高分辨率显微镜

图1:海森结构光显微镜解析囊泡融合孔道形成全过程。上图:实际的动态过程解析;下图:由实验结果得到的囊泡融合的四个中间态。

在每秒钟得到188张超高分辨率图像时,海森结构光显微镜的空间分辨率可以达到85纳米,能够分辨单根头发的1/600到1/800大小结构,而所需要的光照度小于常用的共聚焦显微镜光照度三个数量级。由于极低的光漂白以及光毒性,实现了100 Hz超高分辨率成像下连续采样10分钟得到18万张超高分辨率图像,或者是在1 Hz超高分辨率成像下连续1小时超高分辨率成像基本无光漂白。

与获得2014年Nobel化学奖的受激辐射损耗超高分辨率显微镜(STED)相比,海森结构光显微成像以极高的时间分辨率、极低的光毒性在活细胞超高分辨率成像方面占显著优势。例如,在观察细胞内囊泡与细胞质膜融合释放神经递质和激素过程中,海森结构光显微镜与STED显微镜(分辨率60纳米,每秒5幅左右; 巫凌钢实验室2018年3月Cell上线的文章)都可以观察到囊泡融合形成的孔道;但是,海森结构光显微镜还解析出囊泡融合时四个不同中间态,包括囊泡打开3纳米小孔、囊泡塌陷、融合孔道维持和最后的囊泡与细胞质膜完全融合的过程,真正可视化膜孔道形成的全过程(图1)。

北大教授研发出超灵敏结构光超高分辨率显微镜

图2、海森结构光显微镜显微镜下观察到COS-7细胞中的内质网和线粒体相互作用的动态过程,蓝色的线粒体用MitoTracker Green标记,可以清楚辨识内嵴结构;品红色的是用SEC61-mCherry标记内质网结构。

此项突破一方面是基于硬件自主设计的新偏振旋转玻片阵列、高精度的时序控制程序以及高数值孔径物镜的应用;另一方面是创新的重构算法,借鉴了人眼区分信号和噪声的机制,首次提出将生物样本在多维时空上连续、而噪声是完全随机分布的先验知识用于构建海森矩阵,指导超高分辨率荧光图像的重建。

超灵敏海森结构光显微镜是目前活细胞成像时间最长、时间分辨率最高的超高分辨率显微镜,适用于各种细胞、不同探针的荧光成像 – 可以说,所有应用扫描共聚焦显微镜的场景都可以使用海森结构光显微镜,因而具有广泛的应用前景。

该论文的第一作者为北京大学黄小帅、华中科技大学范骏超和北京大学李柳菊,通讯作者为北京大学陈良怡、华中科技大学谭山。工作得到了国家自然科学基金委重大仪器研制基金、重大研究计划专项、科技部国家重点研发计划基金、重点基础研究发展计划和北京市自然科学基金委重点项目的资助。陈良怡、黄小帅等主创成员参与了早先发表于Nature Methods的高分辨率微型化双光子显微镜的研制,荣获2017年中国十大科学进展等荣誉。未来,他们将进一步实现微型化海森结构光的显微在体成像。

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