深圳先进院等在超分辨光学显微成像方面取得进展

近日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员郑炜与美国国立卫生研究院教授Hari Shroff合作，成功研发出新型双光子激发的超分辨光学显微成像系统，该系统同时具备超分辨光学显微成像功能和大深度三维成像能力，使光学超分辨成像深度推进至破纪录的250微米，相应研究成果Adaptive optics improves multiphoton super-resolution imaging（《自适应光学提升超分辨显微成像》）最近发表在《自然-方法》（Nature Methods）上，郑炜是该文的第一作者兼通讯作者。

“看得细”和“看得深”是光学显微成像领域面临的两大挑战，经过科研人员几十年来的不懈努力，无论是在“看得细”还是“看得深”方面，都涌现了一批创新技术，取得了巨大成功，但是同时具备“看得细”和“看得深”这两项功能的光学显微成像技术却并不多见。

在该项研究中，郑炜等人把具备深层生物组织成像能力的双光子显微成像技术(Two-Photon Microscopy, TPM)和具备超分辨成像功能的瞬时结构光照明显微成像技术(InstantStructuredIllumination Microscopy, ISIM) 有机结合起来，实现双光子激发的超分辨显微成像功能。同时，研究人员又利用自适应光学(Adaptive Optics, AO)技术成功克服了由生物组织引起的波前相位畸变问题，最终实现176纳米的横向分辨率、729纳米的纵向分辨率及250微米的探测深度的成像效果。利用该技术，可以对细胞、线虫胚胎及幼虫、果蝇脑片和斑马鱼胚胎开展高清晰三维成像研究，成像效果显著优于传统双光子成像质量。值得一提的是，由于该技术提高了光子利用效率，从而降低了所需激光功率，可以对线虫胚胎的发育过程开展长时间、高清晰的三维动态观测。在长达1个小时的连续三维成像过程中未对线虫胚胎发育造成任何影响，该技术对胚胎发育研究具有重要作用。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点基础研究发展（“973”）计划和深圳市海外高层次人才创新创业孔雀计划的项目支持。

　　左图为果蝇脑片在传统双光子成像（2P WF）、双光子超分辨成像（2P ISIM）和结合有自适应光学的双光子超分辨(2P ISIM AO)显微成像结果对比，右上图为位于胶原凝胶150微米深处细胞三维成像对比，可见无论是横向还是纵向，新技术的分辨率都有显著提升。右下图为线虫胚胎发育过程中连续1小时的三维观测，细胞正常分裂进程证明了该技术可用于胚胎发育动态研究。