中国学者Nature Biotechnology：一种超灵敏结构光超高分辨率显微镜

　　

来自北京大学膜生物学国家重点实验室，华中科技大学的研究人员发表了题为“Fast, long-term, super-resolution imaging with Hessian structured illumination microscopy”的文章，发明了一种超灵敏结构光超高分辨率显微镜：海森结构光显微镜（Hessian SIM)。这种显微镜空间分辨率可以达到85纳米，能够分辨单根头发的1/600到1/800大小结构，而所需要的光照度小于常用的共聚焦显微镜光照度三个数量级。

这一研究成果公布在4月11日的Nature Biotechnology杂志上，文章通讯作者为北京大学陈良怡，和华中科技大学谭山。第一作者为北京大学黄小帅、华中科技大学范骏超和北京大学李柳菊。

超分辨率成像就已经成为结构生物学中的一种主要技术，增进科学家们对大分子复合物组织的理解。早在1873年，物理学家Ernst Abbe就提出光学显微镜的分辨率限制在光的波长的一半，大约是200纳米。这限制了显微成像的发展，此后诺奖得主Stefan Hell第一次证实这种限制能够被STED显微镜克服，近几十年来，显微技术的分辨率一直在提升。

最新海森结构光显微镜的空间分辨率可以达到85纳米，能够分辨单根头发的1/600到1/800大小结构，而所需要的光照度小于常用的共聚焦显微镜光照度三个数量级。由于极低的光漂白以及光毒性，实现了100 Hz超高分辨率成像下连续采样10分钟得到18万张超高分辨率图像，或者是在1 Hz超高分辨率成像下连续1小时超高分辨率成像基本无光漂白。

与获得2014年Nobel化学奖的受激辐射损耗超高分辨率显微镜（STED）相比，海森结构光显微成像以极高的时间分辨率、极低的光毒性在活细胞超高分辨率成像方面占显著优势。

例如，在观察细胞内囊泡与细胞质膜融合释放神经递质和激素过程中，海森结构光显微镜与STED显微镜（分辨率60纳米，每秒5幅左右；巫凌钢实验室2018年3月Cell上线的文章）都可以观察到囊泡融合形成的孔道；但是，海森结构光显微镜还解析出囊泡融合时四个不同中间态，包括囊泡打开3纳米小孔、囊泡塌陷、融合孔道维持和最后的囊泡与细胞质膜完全融合的过程，真正可视化膜孔道形成的全过程。

此外，应用海森结构光显微镜，我们也实现了细胞“能量工厂”线粒体的超快超分辨成像，首次在活细胞中解析线粒体融合、分裂时内嵴的活动，以及线粒体内嵴自身的重组装过程，也能够观察活细胞内内质网与线粒体发生相互作用时的动态变化（图2）。这是之前领域内无论是使用STED还是PALM/STORM超分辨率显微镜都无法观察到的现象，也凸显出超灵敏海森结构光显微镜对于观察光毒性敏感的细胞器如线粒体动态结构方面的独特优势。

海森结构光显微镜解析囊泡融合孔道形成全过程。上图：实际的动态过程解析；下图：由实验结果得到的囊泡融合的四个中间态。

海森结构光显微镜显微镜下观察到COS-7细胞中的内质网和线粒体相互作用的动态过程，蓝色的线粒体用MitoTracker Green标记，可以清楚辨识内嵴结构；品红色的是用SEC61-mCherry标记内质网结构。

超灵敏海森结构光显微镜是目前成像时间最长、时间分辨率最高的超高分辨率显微镜，适用于各种细胞、不同探针的荧光成像–可以说，所有应用点扫描共聚焦显微镜的场景都可以使用海森结构光显微镜，因而具有广泛的应用前景。

原文标题：

Fast, long-term, super-resolution imaging with Hessian structured illumination microscopy