生命科学学院章永登团队与合作者开发活细胞三维超分辨成像技术4Pi-SIM
细胞作为生命的基本单元，其内部众多细胞器存在着不同的精细结构与分工，执行着不同的生命活动。因此，在三维空间中观察和研究活细胞亚细胞结构的动态行为对细胞生物学发展具有重要意义。三维结构光照明显微镜（3D-SIM）能够将三维空间分辨率提升至宽场显微镜的两倍，且具有光毒性低、成像速度快与兼容传统荧光探针的优点，特别适合活细胞的三维延时成像。然而，3D-SIM的轴向分辨率（约300纳米）远低于横向分辨率（约100纳米），这种各向异性的分辨率会导致图像细节模糊和整体失真。
2024年12月23日，由西湖大学章永登团队与北京大学黄小帅团队、重庆邮电大学范骏超团队、北京大学陈良怡团队合作在Nature Methods杂志上发表题为Elucidating subcellular architecture and dynamics at isotropic 100 nm resolution with 4Pi-SIM的研究论文。该研究提出了一种新型4Pi-SIM超分辨显微镜架构，以三维各向同性100纳米分辨率揭示了不同类型细胞中复杂精细的亚细胞结构。4Pi-SIM首次在活细胞上实现了三维各向同性100纳米光学分辨率延时成像，成像时程可达数小时（500-600个时间点）。另外，4Pi-SIM还具备同时双色成像能力，能够捕捉三维空间内不同细胞器之间的快速相互作用过程。该研究也将在Nature Methods上发表题为Isotropic 100 nm resolution live-cell imaging with 4Pi-SIM的研究简报 （Research Briefing）。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41592-024-02515-z
研究团队基于4Pi单分子超分辨显微镜和海森结构光照明显微镜的研究经验，对4Pi-SIM显微镜的光学结构和机械结构进行了精心设计（图1），最大程度地降低了热波动和机械振动的影响，确保了六束光干涉对齐和荧光干涉的长期稳定性；通过引入锁焦模块，系统能够保证两个物镜精确对齐；通过设计光程差调节模块，系统能够快速、精确地将上下干涉臂的光程差微调至零；此外，系统采用新颖的I2M照明模块，并改进了重建算法，自适应地估计和补偿原始数据中系统光程差不匹配导致的相位误差，从而最大限度地减少长时程成像时的重建伪影。
图1：4Pi-SIM超分辨显微镜的原理图和系统设计图。
a，4Pi-SIM系统原理图。b，4Pi-SIM系统设计图。
上述改进使4Pi-SIM能够在三维空间内以极佳的清晰度和细节捕捉观察各种亚细胞结构。例如，研究团队利用4Pi-SIM成功展示了小鼠精母细胞中联会复合体的双螺旋结构。而3D-SIM由于轴向分辨率不足，在轴向视野中错误地合并了两条染色体结构（图2a-c）。此外，研究团队还利用4Pi-SIM观察了固定HeLa细胞的细胞膜结构。细胞膜通常在表面形成许多直径为100-300纳米的丝状伪足。4Pi-SIM可以清晰地分辨出这些丝状伪足在横向和轴向的中空结构。相比之下，3D-SIM的轴向视图中无法分辨丝状伪足的细节特征（图2d-e）。
