光學超分辨顯微成像重大突破！分辨率提高到100納米以下

　　近日，哈爾濱工業大學儀器學院現代顯微儀器研究所在光學超分辨顯微成像技術領域取得突破性進展。研究團隊在低光毒性條件下，把結構光顯微鏡的分辨率從110納米提高到60納米，實現了長時程、超快速、活細胞超分辨成像。11月16日，研究成果以《稀疏解卷積增強活細胞超分辨熒光顯微鏡的分辨率》（Sparse deconvolution improves the resolution of live-cell super-resolution fluorescence microscopy）為題，以長文形式在線發表于國際權威雜志《自然－生物技術》（Nature Biotechnology，2020年影響因子54.908，只發表對生命科學領域有重大突破的工程技術）。

　　該項研究成果主要由哈爾濱工業大學儀器學院和北京大學未來技術學院合作完成。哈爾濱工業大學為論文第一單位，哈工大博士生趙唯淞、北大博士后趙士群和李柳菊為論文共同第一作者，哈爾濱工業大學李浩宇副教授和北大陳良怡教授為論文共同通訊作者，我校劉儉教授和譚久彬院士均為論文共同作者和哈工大科研團隊負責人。合作單位還包括中科院國家納米中心、中科院生物物理所、武漢大學等。

　　顯微儀器的分辨能力代表人類對科學探索的邊界，2014年諾貝爾化學獎就授予了3位在超分辨率熒光顯微技術領域取得重要成就的學者。哈爾濱工業大學現代顯微儀器研究所團隊提出了一種可突破光學衍射極限的計算顯微成像算法，利用熒光成像的前向物理模型與壓縮感知理論，并結合稀疏性與時空連續性的雙約束條件，建立起一個通用的解算框架——稀疏解卷積技術，突破了現有光學超分辨顯微系統的硬件限制，擴展了時空分辨率和頻譜。

　　在此基礎上，研究團隊研發了超快結構光超分辨熒光顯微鏡系統（Sparse-SIM），該系統具有超分辨、高通量、非侵入、低毒性等特點，在高速成像條件下，具備優于60納米的分辨率和超過1小時的超長時間活細胞動態成像性能。團隊首次觀察到了胰島分泌過程中具有的兩種特征的融合孔道，第一次利用線性結構光顯微鏡觀察到只有在非線性條件下才能分辨的環狀的不同蛋白標記的核孔復合體與小窩蛋白。此外，研究人員還展示了利用該影像技術解析肌動蛋白動態網絡、細胞深處溶酶體和脂滴的快速行為，并記錄了雙色線粒體內外膜之間的精細相對運動。

　　該項工作在物理和化學方法基礎上，首次從計算的角度提出了突破光學衍射極限的通用模型，實現了從0到1的原理創新，是目前活細胞光學顯微成像中分辨率最高（60納米）、速度最快（564幀/秒）、成像時間最長（1小時以上）的超分辨顯微儀器。該技術框架也被證明適用于目前多數熒光顯微鏡成像系統模態，均可實現近兩倍的穩定空間分辨率提升，為精準醫療和新藥研發提供了新一代生物醫學超分辨影像儀器，使未來大幅度加速疾病模型的高精度表征成為可能。