在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域，光學(xué)顯微鏡因其非侵入性成為研究生命微觀世界的核心工具。然而，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡受限于阿貝衍射極限（約200 nm），難以捕捉亞細(xì)胞器的精細(xì)動態(tài)。超分辨顯微技術(shù)的出現(xiàn)打破了這一桎梏，其中結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)（SIM）憑借高時空分辨率與低光毒性優(yōu)勢，成為活細(xì)胞成像的重要選擇。

北京大學(xué)陳良怡團(tuán)隊(duì)在《Nater Photonics》發(fā)表的3D-MP-SIM技術(shù)，通過多平面同步檢測與協(xié)同重建算法的雙重創(chuàng)新，將三維超分辨成像速度提升8倍（達(dá)11卷/秒），軸向分辨率突破至300 nm，為活細(xì)胞動態(tài)研究開辟了新紀(jì)元。這項(xiàng)技術(shù)如何突破物理極限？又將如何改寫生命科學(xué)研究范式？

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)三維SIM的技術(shù)瓶頸
三維SIM依賴三束激光干涉產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化照明圖案，通過計(jì)算解析莫爾條紋實(shí)現(xiàn)分辨率倍增。然而，其成像流程存在兩大瓶頸。首先，單次三維成像需采集5種橫向相位、3種方向和16層軸向平面的數(shù)據(jù)，耗時長達(dá)數(shù)秒，無法捕捉毫秒級動態(tài)過程。其次，活細(xì)胞器的快速運(yùn)動（如晚期內(nèi)吞體移動速度達(dá)0.5 μm/s）導(dǎo)致層間圖像錯位，重建圖像出現(xiàn)拉伸變形。這種時間分辨率與運(yùn)動偽影的雙重限制，使得傳統(tǒng)SIM在活細(xì)胞研究中舉步維艱。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)革新
3D-MP-SIM的核心突破在于將三光束干涉、多平面檢測與物理模型驅(qū)動的重建算法深度融合。光學(xué)系統(tǒng)采用定制圖像分割棱鏡（ISP），將熒光信號分割至兩個相機(jī)的八個區(qū)域，單次曝光即可捕獲1.55 μm軸向范圍內(nèi)的八層信息。軸向相位延遲模塊由直角棱鏡與壓電平臺控制的屋頂棱鏡組成，通過55 μm機(jī)械位移精準(zhǔn)引入π/2軸向相位差，為頻譜分離奠定基礎(chǔ)。偏振優(yōu)化技術(shù)則通過高速液晶可變延遲器與1/4波片組合，將入射光調(diào)整為s偏振，使照明圖案對比度提升至90%以上。

成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
分辨率驗(yàn)證與活細(xì)胞動態(tài)捕捉
在100 nm熒光微球?qū)嶒?yàn)中，3D-MP-SIM的軸向分辨率與3D-SIM相當(dāng)，較2D-MP-SIM提升51%。固定U2OS細(xì)胞的微管成像顯示，該技術(shù)可清晰分辨軸向間距300 nm的雙微管結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)多平面技術(shù)僅呈現(xiàn)模糊條帶。活細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，3D-MP-SIM成功捕捉到晚期內(nèi)吞體的完整輪廓運(yùn)動，消除傳統(tǒng)SIM的圖像拉伸偽影；以11卷/秒速率記錄到線粒體膜雙重內(nèi)陷的動態(tài)過程——一處完成分裂形成囊泡，另一處重新連接形成中空結(jié)構(gòu)。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高速重構(gòu)與雙色成像
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)成像實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)驚人時空分辨率：單個ER小管在300 ms內(nèi)完成軸向延伸、跨層融合與收縮，重構(gòu)出三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。雙色成像模塊通過濾光輪同步切換激發(fā)/發(fā)射波長，實(shí)現(xiàn)線粒體內(nèi)外膜的同步追蹤。實(shí)驗(yàn)捕捉到線粒體納米管從分支網(wǎng)絡(luò)快速伸出，與相鄰線粒體建立瞬時連接；ER小管穿透線粒體中央孔洞時，伴隨線粒體形態(tài)的協(xié)同重構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)為細(xì)胞器互作的力學(xué)機(jī)制研究提供了全新視角。

總結(jié)與展望
3D-MP-SIM的誕生標(biāo)志著活細(xì)胞超分辨成像邁入全新維度。通過多平面同步捕獲與物理模型驅(qū)動的算法革新，該技術(shù)將三維成像速度提升至毫秒級（11卷/秒），軸向分辨率突破至300 nm，且光毒性與傳統(tǒng)3D-SIM相當(dāng)。在晚期內(nèi)吞體追蹤、線粒體分裂解析、ER動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等場景中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，為細(xì)胞器互作、膜動力學(xué)等研究提供了利器。

當(dāng)前技術(shù)仍存在改進(jìn)方向，未來若融合深度學(xué)習(xí)去噪與稀疏解卷積算法，可進(jìn)一步降低光劑量，實(shí)現(xiàn)長達(dá)數(shù)小時的高保真活細(xì)胞觀測。這項(xiàng)技術(shù)不僅將推動線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)接觸位點(diǎn)（MERCs）調(diào)控機(jī)制、細(xì)胞器膜重構(gòu)動力學(xué)等基礎(chǔ)研究，更可能在神經(jīng)突觸遞質(zhì)傳遞、病毒侵染途徑等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開辟新天地。當(dāng)科學(xué)家們得以在三維空間中逐幀解析生命的納米級舞蹈，我們對生命本質(zhì)的理解必將邁向新的高峰。

Chen, Q., Gou, W., Lu, W. et al. Fast, three-dimensional, live-cell super-resolution imaging with multiplane structured illumination microscopy. Nat. Photon. (2025).

DOI:org/10.1038/s41566-025-01638-9.