超分辨率显微镜观测单细胞动态

　　

生物通报道  来自乔治亚理工学院和加州大学旧金山分校的研究人员近日开发了一项新技术，可大大提高科学家们获得运动中的单细胞结构清晰图谱的能力。利用压缩传感鉴别分子，这项新技术为我们提供了必要的空间分辨率以及可能比以前更快的时间分辨率。相关研究论文发布在4月22日的《自然方法》（Nature Methods）杂志上。

上接：Nature methods：单细胞成像新技术

朱磊和黄波表示新研究成果具有极其重要的意义，因为新技术使得研究人员能够以3秒的时间分辨率追踪微管骨架的动态，从而能够对细胞内小囊泡和其他货物的主动运输开展研究。

使用与常规光学显微镜相同的光学系统和探测器，超分辨率显微镜自然需要更长的采集时间获取更多的空间信息，导致了空间分辨率和时间分辨率之间的权衡。在基于STORM/PALM的超分辨率显微镜技术中，每一个照相机成像都是从样品中非常稀疏的探针分子团中取样。另一种解决的方法就是提高激活荧光基团的密度从而确保每个相机像帧能够获取更多的分子。然而这种高密度的荧光点会导致它们重叠，从而使得这种单分子定位技术无法广泛应用。

作者们说近期有大量的技术被报道可有效获取单分子位置甚至当单荧光基团信号重叠时。这些方法是基于重叠点的适当聚集，用最大可能性估计或贝叶斯统计（Bayesian statistics）扩散方程(PSFs) 可变数量点。

在新研究中，朱磊和黄波提出了一种基于全局优化的新方法，采用压缩传感，无需估计和推断成像中的分子数量。他们证实相比于其他的技术，压缩传感能够兼容更高的分子密度，以三秒的时间分辨率显示活细胞荧光蛋白标记微管成像。

研究人员利用STORM对黑腹果蝇S2细胞中免疫荧光染色的微管成像，利用少至100个照相机像帧通过压缩传感解析了邻近微管，而单分子拟合方法则无法辨别这些结构。他们对稳定表达融合mEos2的tubulin的S2细胞进行了活细胞STROM观测。

以常用相机像帧56.4 Hertz速率，超分辨率影像以3秒（169个像帧）的时间分辨率，60 纳米Nyquist分辨率构成，比以前报道的要快得多。这些结果证实了压缩传感可使得STORM以秒水平，如果能够使用更快速的照相机甚至可以子秒水平的时间分辨率来监控活细胞过程。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Faster STORM using compressed sensing

In super-resolution microscopy methods based on single-molecule switching, the rate of accumulating single-molecule activation events often limits the time resolution. Here we developed a sparse-signal recovery technique using compressed sensing to analyze images with highly overlapping fluorescent spots. This method allows an activated fluorophore density an order of magnitude higher than what conventional single-molecule fitting methods can handle. Using this method, we demonstrated imaging microtubule dynamics in living cells with a time resolution of 3 s.