對于生物醫(yī)學(xué)研究，著名物理學(xué)家理查德·費曼有句名言：“...很多基礎(chǔ)生物學(xué)的問題是很容易被回答的；你只是需要看到它們就夠了”。這句話一定程度上說明了直接觀察的光學(xué)顯微鏡對于細(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)研究的重要性。但是受衍射極限的限制，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率理論上只能達到光波長的一半。
近20年來，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足發(fā)展，尤其是結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡由于成像速度快、光毒性小、無需特殊熒光標(biāo)記等優(yōu)勢，已成為生命科學(xué)領(lǐng)域尤其是活細(xì)胞成像中最受歡迎的技術(shù)手段。近期，蘇州醫(yī)工所李輝課題組圍繞著結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微成像方法、高保真SIM重構(gòu)算法、以及國產(chǎn)化的SIM顯微鏡研制等方面取得了一系列重要進展。
圖1 插件式結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像系統(tǒng)
三維成像方法因可以獲取到更多的生物樣品信息而備受關(guān)注。但是現(xiàn)有的三維成像不可避免的帶來離焦模糊和時間分辨率差的問題，很難用于對樣品的快速三維動態(tài)成像。為了實現(xiàn)對厚樣品的快速三維成像，李輝課題組發(fā)展了基于數(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)，并開發(fā)了基于兩張原始圖像的層切成像算法。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)對斑馬魚和大腦血管的心血管系統(tǒng)進行了高速動態(tài)成像，清晰地顯示了心臟跳動期的收縮-舒張過程以及腹部血管的蠕動特性。相關(guān)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。
圖2 基于兩張正反圖像的結(jié)構(gòu)光照明層切算法（左）；斑馬魚心臟跳動過程的快速三維成像（右）。
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)研究中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但是對于具有大動態(tài)范圍的樣本，例如聚集的細(xì)胞囊泡，樣品中熒光較強的聚集性區(qū)域和亮度較弱的稀疏區(qū)域不能同時呈現(xiàn)?，F(xiàn)有的SIM方法針對這種樣品無法重建出高質(zhì)量的圖像。對此，李輝課題組提出了一種采用多重曝光采集的高動態(tài)SIM成像方法HDR-SIM，采集三組不同強度照明的SIM圖像然后融合出一幀超分辨圖像。用HDR-SIM，強度相差400多倍單個和聚集的熒光小球樣本在同一張SIM超分辨圖中可以同時觀察到，并且對分辨率不會產(chǎn)生影響。在使用本方法觀測不同尺度的細(xì)胞囊泡結(jié)構(gòu)，單個小囊泡和大的囊泡聚集都可以同時獲得清晰的分辨。相關(guān)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。
圖3 高動態(tài)SIM成像原理（左）；“聚集-單個”的熒光小球高動態(tài)SIM成像（右）。
在結(jié)構(gòu)光照明成像過程中，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經(jīng)常出現(xiàn)重構(gòu)偽影，使得SIM圖像的保真度經(jīng)常受到質(zhì)疑，并且圖像重建時需要完成一系列復(fù)雜的參數(shù)設(shè)定，限制著普通用戶對SIM技術(shù)應(yīng)用。李輝課題組開發(fā)了一種基于點頻譜優(yōu)化的高保真SIM重建算法。該算法有效克服了常規(guī)SIM算法極易產(chǎn)生重構(gòu)偽影且光學(xué)層切能力差的問題，對不同質(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，該算法對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成像對實驗實施和后處理重構(gòu)的高要求，提升了算法對普通用戶的友好度。相較于幾種傳統(tǒng)的SIM算法, HiFi-SIM算法對多種不同圖像質(zhì)量、不同樣品復(fù)雜度、不同圖像來源(商用設(shè)備/自主搭建SIM系統(tǒng))的原始數(shù)據(jù)進行重建, HiFi-SIM均展現(xiàn)出了最少的重建偽影和最優(yōu)的圖像質(zhì)量。相關(guān)成果以“High-fidelity structured illumination microscopy by point-spread-function engineering”為題發(fā)表在國際光學(xué)類頂級期刊Light: Science & Applications (2021) 上，其中文剛為論文第一作者。
圖4 高保真結(jié)構(gòu)光照明超分辨成像重建算法HiFi-SIM（左）；細(xì)胞結(jié)構(gòu)HiFi-SIM與其他算法重建結(jié)果比較（右）。
李輝課題組自2014年以來一直專注SIM成像的技術(shù)創(chuàng)新、儀器研發(fā)和應(yīng)用推廣，開發(fā)了多種形式的結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡系統(tǒng)。最近，基于課題組最新的研究成果，研發(fā)了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。插件可配置國產(chǎn)倒置熒光顯微鏡，實現(xiàn)了SIM超分辨成像系統(tǒng)的國產(chǎn)化替代。首臺機器已經(jīng)于近期交付某大學(xué)用戶進行試用。
以上工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學(xué)基金委項目的支持。
