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为解决生物发光强度低致活细胞成像受限问题，研究人员开展基于量子图像传感器（QIS）的显微镜研究。开发出 QIScope，相较传统 EMCCD 显微镜，其信噪比、空间分辨率、视野和动态范围均提升，为相关研究提供新工具。
在生命科学领域，活细胞成像如同科学家窥探细胞奥秘的 “眼睛”，能实时捕捉细胞内外部动态过程。荧光成像虽为常用手段，但其依赖激发光，易产生高背景、光毒性及探针光漂白等问题，限制了对敏感样本或长时间实验的观测。而生物发光成像利用化学能发光，规避了激发光的弊端，却因发光强度极低，长期受限于检测技术 —— 传统电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）虽为低光成像主力，却在空间分辨率、视野（FOV）和动态范围等方面存在显著瓶颈，导致生物发光在活细胞研究中的应用始终难以普及。
为突破这一困境，德国亥姆霍兹慕尼黑中心（Helmholtz Munich）的研究人员开展了一项创新性研究。他们将目光投向新兴的量子图像传感器（Quanta Image Sensor, QIS）技术，并重新设计显微镜光学架构，开发出一种基于开普勒望远镜原理的 “QIScope”。该研究成果发表在《Nature Methods》上，为活细胞生物发光成像带来了革命性突破。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：一是引入商业 QIS 相机（如 Gigajot Technology 的 QIS16TS），其通过缩小像素尺寸和提高转换增益，实现了单光子检测能力；二是设计望远镜式显微镜光路，在物镜和管镜之间插入开普勒望远镜结构，通过降低有效放大率（Meff）提升像素光子通量，同时保持大视野；三是整合多模态成像功能，通过在望远镜结构中加入分光镜，兼容荧光成像，实现生物发光与荧光的同步观测。
研究结果
1. QIS 与传统相机的性能对比
研究人员将 QIS16TS 与 Andor iXon Ultra 897 EMCCD 和 Hamamatsu ORCA-Fusion BT sCMOS 相机进行对比。在相同光子通量条件下，QIS 的信噪比（SNR）分别为 EMCCD 的 4.5 倍和 sCMOS 的近 10 倍。即使在通过光学放大调整有效像素尺寸的情况下，QIS 仍展现出显著的成像质量优势。然而，QIS 的小像素和传感器尺寸导致直接替换传统相机时光子通量和视野受限，凸显了光学系统重新设计的必要性。
2. 望远镜式显微镜（QIScope）的设计与性能
传统双透镜显微镜难以在降低 Meff的同时维持视野，而 QIScope 通过开普勒望远镜结构，将物镜与管镜分离，有效缩小图像尺寸并提升像素光子通量。与商用 Olympus LV200/EMCCD 系统相比，QIScope 的视野扩大 3.6 倍（可观测面积增加近 13 倍），空间分辨率提升 1.77 倍，信噪比提高 31%，同时动态范围因 EMCCD 的饱和问题而显著优于前者。
3. 活细胞生物发光成像应用
在活细胞实验中，QIScope 成功实现了对弱生物发光信号的高分辨率捕捉。例如，对微管相关蛋白 tau（MAPT）外显子特异性异构体表达报告系统（EXSISERS）的成像显示，其峰值信噪比和平均信噪比分别比 LV200/EMCCD 高 31% 和 21%。在细胞外囊泡（EVs）研究中，QIScope 不仅能分辨细胞内外的 EVs 网络，还可追踪单个 EVs 的扩散动态，其动态范围较传统系统提升近 4.5 倍，能同时观测稀疏的细胞外结构和密集的细胞内结构。此外，QIScope 还实现了生物发光与荧光的多模态成像，如同步监测线粒体（MitoTracker Red 标记）和 EVs（NLuc-CD63 标记），为细胞代谢状态与囊泡运输的关联研究提供了新手段。
4. 生物发光 vs 荧光成像的优势验证
通过对比荧光蛋白 Gamillus 和生物发光蛋白 NLuc 的成像效果，发现低表达水平时荧光信号因背景干扰难以分辨，而生物发光信号清晰可辨。长时间成像显示，荧光成像会导致细胞形态显著改变，体现光毒性和光漂白效应，而生物发光成像下细胞形态保持稳定，证明其低毒性和高稳定性。在对线粒体质量控制关键蛋白 PINK1 的研究中，QIScope 凭借高分辨率和长时程观测能力，清晰捕捉到 PINK1 从胞质到线粒体的转位过程，而传统 LV200/EMCCD 系统即使经去噪处理仍无法分辨细节。
研究结论与讨论
QIScope 的诞生标志着生物发光成像进入高分辨率、大视野时代。其核心突破在于将 QIS 的单光子检测能力与望远镜式光学设计结合，巧妙平衡了光子通量、空间分辨率和视野的关系，同时通过模块化设计兼容多模态成像，为活细胞研究提供了灵活且强大的工具。该技术不仅能胜任细胞外囊泡动态追踪、低丰度蛋白监测等挑战性实验，还可用于长时间无损伤成像，尤其适合光敏样本或需要连续观测的场景（如神经退行性疾病相关的线粒体自噬研究）。
尽管目前 QIScope 主要针对蓝光波段优化，但其开放的光学架构为未来拓展多色生物发光成像（通过酶 - 底物对和光谱滤波）、结合相位对比或电子显微镜等技术奠定了基础。随着更亮荧光素底物（如 fluorofurimazine）的开发和 QIS 技术的迭代，QIScope 有望进一步提升信噪比和分辨率，推动生物发光成像在器官 oid、组织样本等复杂体系中的应用，为理解细胞间通讯、疾病发生机制等重大科学问题开辟新路径。
