眼见为实 | 陈良怡/施可彬合作实现对细胞内细胞器相互作用过程的高速三维全景成像，揭示细胞器互作全景图和新细胞器

责编 | 酶美

“眼见为实”。超分辨荧光成像技术的出现极大地推动了现代生命科学对细胞内新结构和新的动态过程的研究。然而，超分辨荧光成像技术存在两个局限：一是尽管陈良怡课题组之前发展的海森结构光超分辨率显微镜（https://www.nature.com/articles/nbt.4115 ）已经将荧光超分辨率成像的光照度降低到W/mm²的数量级，三维超分辨率成像仍然是一个瓶颈；再者，荧光成像最大的缺陷是在于只能看见细胞内所标记的分子，无法像电子显微镜那样同时看到细胞整体的全貌。另一方面，无标记成像通过细胞内不同结构表现出的不同光学属性来进行成像。新近出现的光学衍射层析成像通过结合断层扫描及全息显微成像技术，可在衍射模型下实现三维无标记成像。但先前的工作主要关注于提高光学衍射层析成像分辨率的，忽略较慢的成像速度在活细胞成像中会造成实际分辨率下降。同时，无标记成像如果没有分子特异性的荧光成像的辅助，其结果也无法得到验证和解释，不产生对生物学家来说有意义的数据。

近日，北京大学物理学院施可彬研究员和分子医学所陈良怡教授等人合作将三维无标记光学衍射层析显微成像与二维海森结构光超分辨荧光成像技术相结合，发展了双模态超分辨率显微镜，命名为超分辨荧光辅助衍射层析（SR-FACT）双模态显微成像技术，实现了对细胞内细胞器相互作用过程的高速三维全景成像。相关成果以 Super-resolution fluorescence-assisted diffraction computational tomography reveals the three-dimensional landscape of the cellular organelle interactome 在线发表在Light: Science & Applications上。

在这项研究中，研究团队集成了三维光学衍射层析显微成像模态与海森二维结构光照明荧光成像模态，实现了对活细胞的快速、长时程双模态成像。在三维光学衍射层析成像模态中，研究团队发展了新的波矢迭代算法以修正高速的照明光断层扫描中出现的误差，以在保证高速成像的同时保持成像系统中充足的光子通量，从而有效提高了高速成像过程中的灵敏度，可以200 nm横向分辨率对40×40×20 μm³的三维视场以0.8 Hz速度成像。而对于超分辨荧光成像模态，研究团队选择了相比传统结构光照明荧光显微镜更加节约光子数的海森二维结构光荧光显微镜来辅助光学衍射层析模态进行分子特异性表征，其横向分辨率可达100 nm。利用这一双模态成像系统，研究团队成功对活细胞内六种主要细胞器进行了共定位成像，并展示了其在研究细胞器相互作用中的独特优势。

图1. SR-FACT双模态成像系统的硬件实现、算法流程及分辨率表征。

应用SR-FACT，他们证明不需要标记就可以同时高速三维成像活细胞内线粒体、脂滴、核膜、染色体、内质网及溶酶体等多种细胞器的结构、动态以及相互作用的全景图。

图2. 六种细胞器在SR-FACT下的共定位成像结果。

研究团队还观察到了一种新的中性酸碱度的低折射率囊泡结构，并通过长达小时量级的连续成像揭示了其生成和命运路径及组织细胞器相互作用的枢纽功能，命名为“黑色液泡小体（dark-vacuole bodies）”。该亚细胞结构在多种细胞中可见，在细胞器互作网络中起到中心作用，并参与细胞衰老过程。

图3. 同一黑色液泡小体分别协调与线粒体、溶酶体以及脂滴的结合和分离。

SR-FACT为研究活细胞三维细胞器互作组学提供了有力工具，也有助于发现在单一成像模态中被忽略的结构或动态。由于低光毒性和无需特异标记的特点，这种成像方法未来预计将在生物学及医学研究中发挥重要作用。这一双模态成像方法在细胞生物学研究及生物医学成像领域有着广泛应用前景。论文第一作者北京大学博士后董大山，博士后黄小帅和博士研究生李柳菊，通讯作者为陈良怡教授和施可彬研究员。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41377-020-0249-4

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