Nature Biotechnology：西湖大學(xué)章永登團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)超分辨顯微鏡，實(shí)現(xiàn)各向同性納米級(jí)成像

編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

如果把細(xì)胞比作一個(gè)精密運(yùn)轉(zhuǎn)的 “微觀宇宙”，那么超分辨顯微鏡就是幫助科學(xué)家繪制這片宇宙“星圖”的關(guān)鍵工具。單分子定位顯微鏡（ SMLM ）因具備納米級(jí)分子定位能力，已成為生命科學(xué)研究中的重要成像手段。然而，這類(lèi)技術(shù)長(zhǎng)期面臨一個(gè)核心瓶頸：分辨率各向異性。也就是說(shuō)，它在橫向成像上足夠清晰，但在軸向，也就是上下方向，分辨率通常比橫向差 2–3 倍。對(duì)于許多具有復(fù)雜三維形態(tài)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)而言，這意味著它們往往難以被完整、準(zhǔn)確地解析。

為突破這一限制，傳統(tǒng) 4Pi-SMLM 技術(shù)利用兩個(gè)相對(duì)放置的物鏡進(jìn)行干涉探測(cè)，大幅提升軸向定位精度，從而實(shí)現(xiàn)接近各向同性的三維成像。盡管性能出色，這一方案卻長(zhǎng)期受制于復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)、極高的調(diào)試要求以及昂貴的硬件和維護(hù)成本，因此一直難以走出少數(shù)頂尖實(shí)驗(yàn)室。如何在保留 4Pi 高精度優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，顯著降低系統(tǒng)門(mén)檻，始終是該領(lǐng)域亟待解決的重要問(wèn)題 。

2026 年 3 月 31 日，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院章永登團(tuán)隊(duì)（ 博士生于紫荊、助理研究員鄭貝博士為論文共同第一作者 ）在Nature Biotechnology期刊發(fā)表了題為：Mirror-enhanced 4Pi-SMLM with one objective enables isotropic nanoscale imaging 的研究論文。

該研究開(kāi)發(fā)了一種新型超分辨顯微技術(shù)：鏡面增強(qiáng) 4Pi 單分子定位成像技術(shù)（me4Pi-SMLM）。該技術(shù)巧妙地用一面反射鏡替代了傳統(tǒng) 4Pi 系統(tǒng)中的第二個(gè)物鏡，在大幅簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低硬件成本和維護(hù)難度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)雙物鏡 4Pi-SMLM 相當(dāng)?shù)母呔热S成像能力，為納米尺度生物成像提供了一個(gè)更易用、更穩(wěn)健的新平臺(tái)。

me4Pi-SMLM的核心創(chuàng)新在于，將原本復(fù)雜的“雙物鏡干涉”架構(gòu)，轉(zhuǎn)化為更簡(jiǎn)潔的“單物鏡 + 反射鏡”設(shè)計(jì)（圖1）。在這一系統(tǒng)中，激發(fā)光經(jīng)物鏡照射樣品后，會(huì)被樣品上方的反射鏡再次反射回樣品區(qū)域，從而在軸向形成可調(diào)控的干涉條紋。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用快速壓電促動(dòng)器對(duì)反射鏡進(jìn)行毫秒級(jí)調(diào)節(jié)，連續(xù)采集不同相位下的圖像。這個(gè)過(guò)程如同為分子定位增加了一把更精密的“立體標(biāo)尺”，使系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地解析單個(gè)熒光分子的三維空間坐標(biāo)。正是這面看似簡(jiǎn)單的鏡子，使系統(tǒng)的軸向定位精度提升了約 5 倍。

圖1：me4Pi-SMLM原理與性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證技術(shù)性能，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)微管、核孔復(fù)合物和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等典型亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像（圖2）。結(jié)果顯示，me4Pi-SMLM 不僅能夠清晰分辨微管的中空結(jié)構(gòu)，還能夠精準(zhǔn)重建核孔復(fù)合物高度有序的雙環(huán)排布，并解析內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中細(xì)微而復(fù)雜的片層與管狀網(wǎng)絡(luò)，展現(xiàn)出優(yōu)異的三維超分辨成像能力。

圖2：me4Pi-SMLM解析亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了雙色成像，可同時(shí)觀察不同細(xì)胞結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系。例如，在微管與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的雙色成像中，兩種結(jié)構(gòu)邊界清晰、互不混淆；在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的成像中，系統(tǒng)成功揭示了彼此緊鄰的亞結(jié)構(gòu)差異。這一能力使研究人員能夠更直觀地探究細(xì)胞器之間的相互作用與組織關(guān)系。針對(duì)較厚樣本的成像需求，研究團(tuán)隊(duì)還在系統(tǒng)中引入了像散編碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)更大深度范圍內(nèi)分子的準(zhǔn)確定位。借助這一設(shè)計(jì)，研究人員在細(xì)胞全尺度上對(duì)聯(lián)會(huì)復(fù)合體和線粒體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了三維成像，在不同空間方向和不同深度上都獲得了清晰結(jié)果。即使面對(duì)深度達(dá) 4.5 微米的全細(xì)胞樣本，me4Pi-SMLM 依然保持了穩(wěn)定的高精度定位能力，顯示出優(yōu)異的全細(xì)胞三維重建潛力。

更重要的是，me4Pi-SMLM 的應(yīng)用并不局限于固定樣品，還可進(jìn)一步拓展到活細(xì)胞成像、三維單分子追蹤以及厚組織成像等多個(gè)方向。在活細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 40-60 納米分辨率的三維動(dòng)態(tài)觀測(cè)；在單分子追蹤中，達(dá)到了 6 納米定位精度和 9 毫秒時(shí)間分辨率；在小鼠腦組織切片中，其三維分辨率依然優(yōu)于 15 納米，展現(xiàn)出良好的組織成像前景。

這項(xiàng)研究的重要意義，不僅在于“看得更清”，更在于“更容易用”。與傳統(tǒng) 4Pi 系統(tǒng)相比，me4Pi-SMLM 顯著降低了系統(tǒng)復(fù)雜度、維護(hù)難度和硬件成本，同時(shí)還具備良好的兼容性和升級(jí)潛力：現(xiàn)有 3D-SMLM 平臺(tái)只需增加反射鏡和壓電促動(dòng)器，就可以升級(jí)到 4Pi 級(jí)別的三維成像精度。該成果有望推動(dòng)高精度三維超分辨成像從少數(shù)高門(mén)檻平臺(tái)走向更廣泛的生命科學(xué)研究場(chǎng)景，為細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)以及疾病機(jī)制研究提供新的觀察工具。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41587-026-03083-7