【科技简报】2025年第1期：学界|《自然·通讯》：新型3D-MP-SIM技术实现活细胞三维高速超分辨率成像

中国生物物理学会中国生物物理学会官方澎湃号

2026-04-01 17:15

北京

计算成像进展

汇聚顶尖专家

——本期专家——

陈良怡李浩宇吴嘉敏纪伟田梅刘冰

学界|《自然·通讯》：新型3D-MP-SIM技术实现活细胞三维高速超分辨率成像

细胞作为生命活动的基本单位，其内部在纳米尺度上拥有高度复杂的亚细胞结构，这些结构通过精密而动态的调控参与各种生物学过程。要深入理解细胞功能、信号传递、物质运输以及疾病的发生机制，关键在于揭示这些微小结构在三维空间中的实时动态行为。传统荧光显微镜受限于阿贝衍射极限（横向分辨率约250 nm，轴向约600 nm），难以清晰分辨如内质网、线粒体等细胞器的精细结构及其动态变化。进入21世纪后，一系列超分辨率荧光成像技术应运而生，包括单分子定位显微技术（PALM/STORM）、受激辐射损耗显微术（STED）和结构光照明显微镜（SIM）等。其中，由于SIM具有较低的光毒性、较弱的光漂白效应以及较快的成像速度，已成为活细胞成像的重要手段。

图1 3D-MP-SIM原理图，系统光路图和重构流程图

近期，北京大学黄小帅课题组、施可彬课题组与陈良怡课题组联合重庆邮电大学范骏超课题组、肖斌课题组在《自然·光子学》（Nature Photonics）上发表重要研究成果，提出了一种新型快速三维多平面结构光照明显微技术——3D-MP-SIM。该技术通过构建全新的正向物理模型，结合创新的光学系统设计与先进的图像重建算法，在保留传统3D-SIM高空间分辨率优势的基础上，将时间分辨率提升了近8倍。该系统实现了横向约120 nm、轴向约300 nm的三维超分辨成像能力，并达到最高11 Hz的全三维体积成像速度，显著减少了因样本运动带来的伪影，为真实还原活细胞中纳米级动态过程提供了强有力的工具支持。

3D-MP-SIM采用三束光干涉产生结构照明，并结合多平面同步探测策略，在传统横向相位调制的基础上引入额外的轴向相移控制，通过光学延迟线或对零级光进行相位调控来实现结构光在轴向上的相位变化，从而一次性获取整个三维样本的信息。其图像重建采用两步分离策略：首先利用横向相移分离出0阶、±1阶和±2阶衍射频谱成分；随后通过轴向相移进一步将±1阶频谱分解为上下两部分。这一方法有效提升了重建过程的稳定性和准确性。

图2 3D-MP-SIM分辨率表征和活细胞快速三维超分辨成像

实验结果表明，3D-MP-SIM在分辨率上与传统3D-SIM相当。而在具体的技术应用方面，固定细胞微管成像中，其成像质量与3D-SIM一致，验证了其优异的三维超分辨能力。在活细胞次级内体动态观测中，得益于更高的时间分辨率，3D-MP-SIM成功抑制了运动伪影，使快速移动的内体保持清晰的圆形轮廓；而传统3D-SIM因扫描速度不足，在轴向切片中呈现明显的拉长状伪影。双色成像实验进一步展示了该技术的强大能力，成功捕捉到线粒体内外膜的动态重塑过程，以及线粒体与内质网之间频繁且精细的相互作用，例如管状内质网穿过线粒体外膜凹陷处的中心孔等细微结构变化。此外，结合样本轴向扫描与多层同步采集，研究团队实现了厚度达4.26微米的全细胞三维超分辨成像，为在完整细胞环境中研究细胞器行为开辟了新途径。

这项技术突破不仅解决了传统3D-SIM在观测快速生物过程时因逐层扫描导致的时间延迟和运动伪影问题，更为深入探索纳米尺度下亚细胞结构的动态行为打开了新的窗口。无论是细胞器间的相互作用，还是膜系统的动态重构，3D-MP-SIM都提供了一个具备高时空保真度的成像平台，成为推动现代细胞生物学研究迈向“三维化、动态化、长时程观测”的关键工具。

点评

这项由北京大学团队与重庆邮电大学团队合作开发的3D-MP-SIM技术，通过创新性地融合多平面探测与结构光照明，在保持3D-SIM超分辨能力的同时大幅提升成像速度，在不牺牲空间分辨率的前提下大幅提升时间分辨率，解决了活细胞三维动态观测中长期存在的时空分辨率矛盾。其独特的轴向相位调制策略和两步重建算法，为高频动态细胞器互作研究提供了新视角，特别是对线粒体-内质网等快速互作过程的解析具有重要价值。该技术有望成为细胞动力学研究的标配工具，其模块化设计思路也为其他显微技术的性能提升提供了借鉴。不过该方法对于单次成像厚度还是受到限制，对于大于1.5微米厚的细胞样本需要牺牲更多的时间分辨率进行分层扫描，而且其单帧所需照明功率也显著增高，这加剧了光毒性和光漂白的风险，该系统还有望进一步改进。

公众号

Biophysics Reports

Abstracted/Indexed in：

Pubmed Central, Scopus, CASSI, CSCD