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Optica Letters文獻(xiàn):超分辨光片成像—全細(xì)胞尺度分辨率突破至7.5nm

瀏覽次數(shù):259 發(fā)布日期:2025-7-10  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
近日,中國科學(xué)家團隊在光學(xué)成像領(lǐng)域取得重大突破,開發(fā)出名為HOPE-STORM的高數(shù)值孔徑斜平面顯微鏡系統(tǒng)。這項研究成果由丁卓立、趙顯傲、王磊等17位學(xué)者共同完成,以《Three-dimensional super-resolution imaging of whole cells using a high numerical aperture oblique-plane microscope》為題,于2025年5月19日發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Optics Letters》。該系統(tǒng)通過創(chuàng)新性整合玻璃尖端物鏡與斜平面光路設(shè)計,首次實現(xiàn)了全細(xì)胞尺度下7.5納米精度的三維超分辨成像,為細(xì)胞器動態(tài)研究提供了革命性工具。

重要發(fā)現(xiàn)
01光學(xué)技術(shù)突破
研究團隊設(shè)計的HOPE-STORM系統(tǒng)攻克了傳統(tǒng)顯微技術(shù)的三大瓶頸:

高數(shù)值孔徑斜平面成像:采用單物鏡(NA=1.40)同時完成照明與檢測,通過遠(yuǎn)程聚焦模塊(O2)校正傾斜像差。關(guān)鍵創(chuàng)新在于引入玻璃尖端物鏡(O3),通過壓縮光錐將有效檢測NA提升至1.42,光子收集效率達(dá)32.1%,比傳統(tǒng)斜平面顯微鏡(obSTORM)提高3.5倍。

平頂光片照明:四通道激光經(jīng)鮑威爾棱鏡整形為均勻平頂光束,形成30°傾斜照明光片,在x'軸向?qū)崿F(xiàn)9微米瑞利長度,大幅降低光毒性。

雙通道同步采集:利用二向色鏡分光設(shè)計,雙相機同步采集信號,確保雙色成像串?dāng)_率<1%,為蛋白質(zhì)互作研究奠定基礎(chǔ)。

02成像性能驗證
在COS-7細(xì)胞微管成像實驗中,系統(tǒng)展現(xiàn)出卓越性能:
單分子定位精度:橫向定位精度達(dá)7.59 nm(y軸),軸向精度29.3 nm
全細(xì)胞成像能力:通過壓電平臺實時漂移校正(<5 nm)和TB級數(shù)據(jù)處理管線,實現(xiàn)5×5 μm大視野拼接,突破傳統(tǒng)超分辨顯微鏡的視野限制

03生物學(xué)應(yīng)用突破
核孔復(fù)合體納米測繪
在U2OS細(xì)胞中,通過DNA-PAINT技術(shù)標(biāo)記Nup96蛋白,首次獲得全細(xì)胞核尺度下NPC的三維結(jié)構(gòu):
重建308個核孔復(fù)合體,解析出53.2±5.7 nm的核質(zhì)環(huán)間距
傅里葉環(huán)相關(guān)(FRC)分析顯示分辨率達(dá)7.5 nm,創(chuàng)斜平面顯微鏡分辨率新紀(jì)錄

線粒體分裂機制解密
通過雙色成像技術(shù)同步捕捉線粒體外膜與DRP1蛋白:
發(fā)現(xiàn)DRP1在分裂位點形成直徑200-600 nm的環(huán)狀結(jié)構(gòu)
首次建立線粒體分裂三階段模型:
早期階段:DRP1環(huán)直徑>400 nm,起始募集
中期階段:環(huán)收縮至200-400 nm,線粒體出現(xiàn)明顯縊縮
晚期階段:DRP1解聚,線粒體完成分裂

創(chuàng)新與亮點
01攻克三大技術(shù)壁壘
NA損失難題:玻璃尖端物鏡設(shè)計解決傳統(tǒng)斜平面顯微鏡的NA衰減問題,使有效NA達(dá)1.42,為單分子成像提供充足光子

深度成像局限:平頂光片照明結(jié)合30°傾斜角設(shè)計,將成像深度延伸至全細(xì)胞范圍,信噪比比TIRF技術(shù)提升5倍

動態(tài)追蹤瓶頸:通過嵌入式聚苯乙烯珠實時定位,實現(xiàn)納米級漂移校正,支持長達(dá)數(shù)小時連續(xù)觀測

02開創(chuàng)性應(yīng)用價值
細(xì)胞器互作解析:首次在完整細(xì)胞中量化DRP1環(huán)狀結(jié)構(gòu)尺寸,修正體外冷凍電鏡得出的模型誤差

標(biāo)準(zhǔn)化生物標(biāo)尺:以核孔復(fù)合體為基準(zhǔn)建立7.5 nm分辨率標(biāo)準(zhǔn),為超分辨顯微鏡性能評估提供新范式

大數(shù)據(jù)處理革新:開發(fā)TB級圖像拼接算法,實現(xiàn)斜平面到水平面的幾何畸變校正,處理效率比傳統(tǒng)方法提升20倍

總結(jié)與展望
HOPE-STORM系統(tǒng)通過融合高數(shù)值孔徑物鏡、玻璃尖端光路優(yōu)化及平頂光束照明三大核心技術(shù),成功突破超分辨顯微鏡在成像深度與分辨率間的傳統(tǒng)權(quán)衡。其7.5納米精度的全細(xì)胞三維成像能力,不僅首次實現(xiàn)核孔復(fù)合體的原位納米測繪,更揭示DRP1蛋白在線粒體分裂中的動態(tài)組裝規(guī)律,為細(xì)胞器功能研究樹立新標(biāo)桿。未來通過集成無衍射光束照明與深度學(xué)習(xí)輔助定位,該系統(tǒng)有望將活細(xì)胞超分辨成像速度提升百倍,推動"成像組學(xué)"時代的到來。這項由中國團隊主導(dǎo)的創(chuàng)新技術(shù),已為全球生命科學(xué)研究者打開納米尺度探索生命奧秘的新視窗。

論文信息
聲明:本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Ding Z, Zhao X, Wang L, Luo S, Yang T, Fan C, Lu J, Xiong S, Li W, Xu T, Gu L, Ji W. Three-dimensional super-resolution imaging of whole cells using a high numerical aperture oblique-plane microscope. Opt Lett. 2025 Jun 1;50(11):3529-3532. 

DOI:10.1364/OL.550216.  

發(fā)布者:羅輯技術(shù)(武漢)有限公司
聯(lián)系電話:13260667811
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