蘇州醫(yī)工所在結構光照明超分辨顯微成像技術研究與儀器研制中獲進展
眾所周知，直接觀察的光學顯微鏡對細胞生物學、發(fā)育生物學、免疫學、病理藥理學等生物醫(yī)學研究具有重要意義。但受到衍射極限的限制，傳統(tǒng)光學顯微鏡的分辨率理論上只能達到光波長的一半。較長時間以來，超分辨熒光顯微成像技術的出現(xiàn)有效打破了光學衍射極限的束縛�；趩畏肿佣ㄎ患夹g的超分辨顯微鏡（SMLM）和受激發(fā)射損耗顯微鏡（STED）以及結構光照明超分辨顯微鏡（SIM）等技術在眾多課題組的努力下都得到了長足發(fā)展，尤其是結構光照明顯微鏡具有成像速度快、光毒性小、無須特殊熒光標記等優(yōu)勢，已成為生命科學領域尤其是活細胞成像中很受歡迎的一種技術手段。近期，中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所李輝課題組圍繞結構光照明超分辨顯微成像方法、高保真SIM重構算法、國產(chǎn)化的SIM顯微鏡研制等研究，取得了一系列重要進展。 FZi@h
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三維成像方法因能夠獲取更多的生物樣品信息而備受關注。然而，現(xiàn)有的三維成像不可避免地帶來離焦模糊和時間分辨率差的問題，不易用于對樣品的快速三維動態(tài)成像。為了實現(xiàn)對厚樣品的快速三維成像，李輝課題組發(fā)展出基于數(shù)字微鏡陣列器件（DMD）和液體變焦透鏡（ETL）的結構光照明層切顯微技術，并開發(fā)出基于兩張原始圖像的層切成像算法。該方法將傳統(tǒng)的三維層切成像的速度提高了數(shù)倍以上，課題組利用該技術，對斑馬魚和大腦血管的心血管系統(tǒng)進行了高速動態(tài)成像，清晰地顯示了心臟跳動期的收縮-舒張過程以及腹部血管的蠕動特性。相關研究成果以Four-dimensional visualization of zebrafish cardiovascular and vessel dynamics by a structured illumination microscope with electrically tunable lens為題，發(fā)表在Biomedical Optical Express（2020）上，其中，博士生陳沖為論文第一作者。 w!f2~j~
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結構光照明超分辨成像技術在多種納米尺度的亞細胞結構研究中已得到廣泛應用，但對于具有大動態(tài)范圍的樣本（如聚集的細胞囊泡），樣品中熒光較強的聚集性區(qū)域和亮度較弱的稀疏區(qū)域不能同時呈現(xiàn)�，F(xiàn)有的SIM方法針對這種樣品無法重建出高質量的圖像。對此，李輝課題組提出了一種采用多重曝光采集的高動態(tài)SIM成像方法HDR-SIM，采集三組不同強度照明的SIM圖像，然后融合出一幀超分辨圖像。利用HDR-SIM，強度相差400多倍單個和聚集的熒光小球樣本在同一張SIM超分辨圖中可同時觀察到，并且對分辨率不會產(chǎn)生影響。在使用該方法觀測不同尺度的細胞囊泡結構時，單個小囊泡和大的囊泡聚集均可同時獲得清晰的分辨。相關研究成果以High Dynamic Range Structured Illumination Microscope Based on Multiple Exposures為題，發(fā)表在Frontiers in Physics（2021）上，其中，梁永為論文第一作者。 NqD]p{ >Y
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圖1.基于兩張正反圖像的結構光照明層切算法（左）；斑馬魚心臟跳動過程的快速三維成像（右） ]\pi!oa
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圖2.高動態(tài)SIM成像原理（左）；“聚集-單個”的熒光小球高動態(tài)SIM成像（右） :j&enP5R(q
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