北京大學(xué)實(shí)現(xiàn)高效超分辨活體組織成像新突破
在生物學(xué)研究的前沿，對(duì)活體組織中復(fù)雜三維亞細(xì)胞動(dòng)態(tài)的非侵入性解析需求日益增長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)空間分辨率、成像深度、光毒性三者的同時(shí)優(yōu)化，北京大學(xué)席鵬教授團(tuán)隊(duì)將共聚焦掃描成像與結(jié)構(gòu)光超分辨巧妙結(jié)合起來(lái)，提出一種多點(diǎn)晶格共聚焦圖像掃描顯微解決方案，通過(guò)優(yōu)化針孔直徑和間距、消除離焦信號(hào)和引入減幀重建算法來(lái)克服現(xiàn)有技術(shù)在時(shí)空分辨率平衡方面的局限性，極大地?cái)U(kuò)展了超分辨率成像在生物體內(nèi)的應(yīng)用范圍。 i=X
B0-
隨著生物醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，在組織層面揭示其內(nèi)部三維精細(xì)結(jié)構(gòu)、捕捉快速生物動(dòng)態(tài)過(guò)程等成像需求日益增加。共聚焦激光掃描顯微技術(shù)因其卓越的光學(xué)切片能力和多功能性，在散射組織的深度成像中一直被視為首選。然而，縮小針孔尺寸以提升分辨率會(huì)導(dǎo)致信號(hào)下降，限制成像質(zhì)量。圖像掃描顯微技術(shù)（Image Scanning Microscopy，ISM）通過(guò)將單點(diǎn)探測(cè)器替換為探測(cè)器陣列，基于像素重定位和解卷積算法，在保持共聚焦層切能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了相比于衍射極限兩倍的分辨率提升。相比于其他超分辨顯微技術(shù)，ISM更能抵抗深度成像時(shí)所引起的像差和散射等問(wèn)題。 !MQVtn^C#
席鵬團(tuán)隊(duì)提出多點(diǎn)共聚焦多點(diǎn)共聚焦圖像掃描顯微（Multi-confocal Image Scanning Microscopy，MC-ISM）技術(shù)，通過(guò)晶格針孔陣列產(chǎn)生多焦點(diǎn)照明，相比于傳統(tǒng)ISM利用單點(diǎn)進(jìn)行掃描，這種并行化的配置配合類(lèi)似阿基米德螺線(xiàn)的單振鏡掃描，極大提高了全視場(chǎng)成像速度。通過(guò)優(yōu)化針孔直徑和間距、應(yīng)用光學(xué)鎖相探測(cè)（OLID）處理抑制離焦信號(hào)，提高成像質(zhì)量�；谙袼刂囟ㄎ缓瓦M(jìn)一步的解卷積后處理，MC-ISM可實(shí)現(xiàn)2倍的三維分辨率提升。此外，通過(guò)引入多圖反卷積重建算法進(jìn)行減幀重建，MC-ISM可進(jìn)一步提高成像速度，比多焦點(diǎn)結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡提高了16倍。 9 O\N
K:2
[attachment=130613] n
?+dX^j
圖1. MC-ISM光路圖以及像素重分配和減幀重建結(jié)果 `nEe-w^9)I
研究團(tuán)隊(duì)利用MC-ISM技術(shù)對(duì)小鼠腎切片進(jìn)行了三色3D超分辨成像，在66.5μm×66.5μm×12μm的體積內(nèi)，以150nm的軸向間隔實(shí)現(xiàn)了絲狀肌動(dòng)蛋白、腎單位成分及核結(jié)構(gòu)的清晰分離，橫向與軸向分辨率分別提升至131nm和336nm。MC-ISM有效抑制了離焦信號(hào)，展現(xiàn)出與轉(zhuǎn)盤(pán)共聚焦顯微鏡相當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)切片能力。此外，使用20倍長(zhǎng)工作距離物鏡，MC-ISM對(duì)DAPI染色的斑馬魚(yú)頭部進(jìn)行深層成像，同樣展現(xiàn)出卓越的性能，在整個(gè)成像體積內(nèi)細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)。相較于寬場(chǎng)和共聚焦模態(tài)，分辨率顯著提升。 q ,*([yX
|