眾所周知，直接觀察的光學(xué)顯微鏡對(duì)細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、免疫學(xué)、病理藥理學(xué)等生物醫(yī)學(xué)研究具有重要意義。但受到衍射極限的限制，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率理論上只能達(dá)到光波長(zhǎng)的一半。較長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，超分辨熒光顯微成像技術(shù)的出現(xiàn)有效打破了光學(xué)衍射極限的束縛?；趩畏肿佣ㄎ患夹g(shù)的超分辨顯微鏡（SMLM）和受激發(fā)射損耗顯微鏡（STED）以及結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微鏡（SIM）等技術(shù)在眾多課題組的努力下都得到了長(zhǎng)足發(fā)展，尤其是結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡具有成像速度快、光毒性小、無(wú)須特殊熒光標(biāo)記等優(yōu)勢(shì)，已成為生命科學(xué)領(lǐng)域尤其是活細(xì)胞成像中很受歡迎的一種技術(shù)手段。近期，中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所李輝課題組圍繞結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微成像方法、高保真SIM重構(gòu)算法、國(guó)產(chǎn)化的SIM顯微鏡研制等研究，取得了一系列重要進(jìn)展。
插件式結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像系統(tǒng)
三維成像方法因能夠獲取更多的生物樣品信息而備受關(guān)注。然而，現(xiàn)有的三維成像不可避免地帶來(lái)離焦模糊和時(shí)間分辨率差的問(wèn)題，不易用于對(duì)樣品的快速三維動(dòng)態(tài)成像。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)厚樣品的快速三維成像，李輝課題組發(fā)展出基于數(shù)字微鏡陣列器件（DMD）和液體變焦透鏡（ETL）的結(jié)構(gòu)光照明層切顯微技術(shù)，并開(kāi)發(fā)出基于兩張?jiān)紙D像的層切成像算法。該方法將傳統(tǒng)的三維層切成像的速度提高了數(shù)倍以上，課題組利用該技術(shù)，對(duì)斑馬魚(yú)和大腦血管的心血管系統(tǒng)進(jìn)行了高速動(dòng)態(tài)成像，清晰地顯示了心臟跳動(dòng)期的收縮-舒張過(guò)程以及腹部血管的蠕動(dòng)特性。相關(guān)研究成果以Four-dimensional visualization of zebrafish cardiovascular and vessel dynamics by a structured illumination microscope with electrically tunable lens為題，發(fā)表在Biomedical Optical Express（2020）上，其中，博士生陳沖為論文第一作者。
結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像技術(shù)在多種納米尺度的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)研究中已得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)于具有大動(dòng)態(tài)范圍的樣本（如聚集的細(xì)胞囊泡），樣品中熒光較強(qiáng)的聚集性區(qū)域和亮度較弱的稀疏區(qū)域不能同時(shí)呈現(xiàn)?，F(xiàn)有的SIM方法針對(duì)這種樣品無(wú)法重建出高質(zhì)量的圖像。對(duì)此，李輝課題組提出了一種采用多重曝光采集的高動(dòng)態(tài)SIM成像方法HDR-SIM，采集三組不同強(qiáng)度照明的SIM圖像，然后融合出一幀超分辨圖像。利用HDR-SIM，強(qiáng)度相差400多倍單個(gè)和聚集的熒光小球樣本在同一張SIM超分辨圖中可同時(shí)觀察到，并且對(duì)分辨率不會(huì)產(chǎn)生影響。在使用該方法觀測(cè)不同尺度的細(xì)胞囊泡結(jié)構(gòu)時(shí)，單個(gè)小囊泡和大的囊泡聚集均可同時(shí)獲得清晰的分辨。相關(guān)研究成果以High Dynamic Range Structured Illumination Microscope Based on Multiple Exposures為題，發(fā)表在Frontiers in Physics（2021）上，其中，梁永為論文第一作者。
在結(jié)構(gòu)光照明成像過(guò)程中，超分辨圖像重建算法尤為關(guān)鍵。SIM重建算法的一些固有缺陷造成超分辨圖像中常出現(xiàn)重構(gòu)偽影，使SIM圖像的保真度經(jīng)常受到質(zhì)疑，并且圖像重建時(shí)需要完成一系列復(fù)雜的參數(shù)設(shè)定，限制著普通用戶對(duì)SIM技術(shù)應(yīng)用。李輝課題組開(kāi)發(fā)出一種基于點(diǎn)頻譜優(yōu)化的高保真SIM重建算法。該算法克服了常規(guī)SIM算法易產(chǎn)生重構(gòu)偽影且光學(xué)層切能力差的問(wèn)題，對(duì)不同質(zhì)量原始數(shù)據(jù)的處理均能獲得具有極少偽影和良好光學(xué)層切的高質(zhì)量超分辨圖像，有效提高了SIM成像的保真度。同時(shí)，該算法對(duì)OTF失配和用戶自定義參數(shù)不敏感，使用生成的理論OTF和較少的參數(shù)即可重構(gòu)高質(zhì)量SIM圖像，降低了SIM成像對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)施和后處理重構(gòu)的高要求，提升了算法對(duì)普通用戶的友好度。相較于幾種傳統(tǒng)的SIM算法，HiFi-SIM算法對(duì)多種不同圖像質(zhì)量、不同樣品復(fù)雜度、不同圖像來(lái)源（商用設(shè)備/自主搭建SIM系統(tǒng)）的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建, HiFi-SIM均展現(xiàn)出最少的重建偽影和最優(yōu)的圖像質(zhì)量。相關(guān)研究成果以High-fidelity structured illumination microscopy by point-spread-function engineering為題，發(fā)表Light: Science & Applications（2021）上，其中，文剛為論文第一作者。
李輝課題組自2014年以來(lái)一直專(zhuān)注于SIM成像的技術(shù)創(chuàng)新、儀器研發(fā)和應(yīng)用推廣，開(kāi)發(fā)出多種形式的結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡系統(tǒng)。近期，基于課題組最新的研究成果，研發(fā)出一套可集成于顯微鏡下層光路的結(jié)構(gòu)光照明插件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、方便易用等特點(diǎn)。插件可配置國(guó)產(chǎn)倒置熒光顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了SIM超分辨成像系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化替代。首臺(tái)機(jī)器已于近期交付某大學(xué)用戶進(jìn)行試用。
以上工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目的支持。
