近日，哈爾濱工業(yè)大學(以下簡稱哈工大)儀器學院現(xiàn)代顯微儀器研究所在光學超分辨顯微成像技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進展。研究團隊在低光毒性條件下，把結(jié)構(gòu)光顯微鏡的分辨率從110納米提高到60納米，實現(xiàn)了長時程、超快速、活細胞超分辨成像。11月16日，研究成果在線發(fā)表于國際權(quán)威雜志《自然·生物技術(shù)》。
顯微儀器的分辨能力代表人類對科學探索的邊界。哈工大現(xiàn)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(jié)合稀疏性與時空連續(xù)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(shù)，突破了現(xiàn)有光學超分辨顯微系統(tǒng)的硬件限制，擴展了時空分辨率和頻譜。
在此基礎(chǔ)上，研究團隊研發(fā)了超快結(jié)構(gòu)光超分辨熒光顯微鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(yōu)于60納米的分辨率和超過1小時的超長時間活細胞動態(tài)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(jié)構(gòu)光顯微鏡觀察到只有在非線性條件下才能分辨的環(huán)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(shù)解析肌動蛋白動態(tài)網(wǎng)絡(luò)、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(nèi)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(chǔ)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(xiàn)了從0到1的原理創(chuàng)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(shù)框架也被證明適用于目前多數(shù)熒光顯微鏡成像系統(tǒng)模態(tài)，均可實現(xiàn)近兩倍的穩(wěn)定空間分辨率提升，為精準醫(yī)療和新藥研發(fā)提供了新一代生物醫(yī)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。(記者 李麗云)
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