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。

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?？茖W(xué)家們可以通過光學(xué)顯微鏡，看到細(xì)胞的精細(xì)結(jié)構(gòu)。然而，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)。短則十幾秒，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。

與此同時(shí)，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)胞來說很不友好，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。

看見一個(gè)新世界探尋生命的原理

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)（系統(tǒng)圖如圖1所示）。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。

圖1 MAIM系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)主要由兩套掃描振鏡構(gòu)成，用于控制照明光束的入射角和方位角，實(shí)現(xiàn)變角度倏失場(chǎng)照明下的結(jié)構(gòu)光成像。

常規(guī)光學(xué)顯微鏡的分辨率具有極限，在可見光照明區(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。

圖2 活細(xì)胞內(nèi)線粒體（a，b）和微管（c，d）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a，c）橫向超分辨和衍射受限的低分辨成像結(jié)果；（b，d）三維超分辨動(dòng)態(tài)成像結(jié)果（顏色代表軸向信息）。

負(fù)責(zé)人劉旭教授介紹，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，劉旭教授舉了如下例子：過去進(jìn)行藥物效果實(shí)驗(yàn)，大多只能通過整體的結(jié)果研究來了解藥物療效，而無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。未來就可通過MAIM顯微鏡，了解這些動(dòng)態(tài)過程，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，正在產(chǎn)業(yè)化。

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

原文鏈接：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）