劉皎（北京大學(xué)醫(yī)藥衛(wèi)生分析中心）

超高分辨顯微鏡（Super-Resolution Microscopy）作為強(qiáng)大的成像工具，可以突破傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨極限，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小結(jié)構(gòu)的高分辨率成像，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。本文將探討超高分辨顯微鏡的發(fā)展及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

 

文章目錄

1、引言

2、不同類型的超高分辨顯微鏡介紹

2.1 結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（SIM）

2.2 單分子定位顯微鏡（SMLM）

2.3 受激發(fā)射損耗顯微鏡（STED）

2.4 最低光子數(shù)顯微成像（MINimal Photon FLUXes，MINFLUX）

3、STED在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用

4、未來(lái)和展望

 

1、引言

顯微鏡的產(chǎn)生和發(fā)展對(duì)于生命科學(xué)研究的進(jìn)步有至關(guān)重要的作用，它將微觀世界呈現(xiàn)在大家面前，包括微生物的存在、組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)及生理病理活動(dòng)等。顯微鏡技術(shù)的不斷革新將成像分辨率不斷提高，但相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)光學(xué)成像無(wú)法突破一個(gè)極限值，即xy軸橫向分辨率約200nm，z軸縱向分辨率約500nm，因此小于這個(gè)尺寸的生命活動(dòng)和結(jié)構(gòu)，如病毒、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)等無(wú)法清楚地觀察到。

聚焦點(diǎn)的光強(qiáng)會(huì)根據(jù)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（point spread function，PSF）而展開，對(duì)于圓形孔徑，PSF呈現(xiàn)為艾里斑（Airy disk）的模式。激光掃描共聚焦顯微鏡（Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM）的分辨率取決于PSF的大小，如果焦點(diǎn)很小，則每個(gè)像素點(diǎn)獲取到的信息也很小，從而得到清晰銳利的圖像；反之，則結(jié)果圖像變得模糊。因此，CLSM成像的主要挑戰(zhàn)在于實(shí)現(xiàn)越來(lái)越小的PSF以獲得更好的分辨率。德國(guó)物理學(xué)家恩斯特·阿貝（Ernst Abbe，1840-1905年）在19世紀(jì)70年代首次提出阿貝衍射極限，即由于衍射效應(yīng)，PSF大小與λ/NA成正比（d=0.61λ/NA），其中λ是光的波長(zhǎng)，NA是物鏡最重要的參數(shù)——數(shù)值孔徑。由于可見光波長(zhǎng)范圍在400-760nm之間，NA值最大在1.7左右，所以分辨率極限在200nm左右。隨著物理學(xué)和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，突破衍射極限的顯微鏡不斷涌現(xiàn)，公認(rèn)的超高分辨顯微鏡主要有三類，包括結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（Structured Illumination Microscopy，SIM），受激發(fā)射損耗顯微鏡（Stimulated Emission Depletion Microscopy，STED），和單分子定位顯微鏡（SMLM）。單分子定位顯微鏡包括光敏定位顯微鏡（Photoactivation Localization Microscopy，PALM）和隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微鏡（Stochastic Optical Reconstruction Microscopy，STORM）。2014年三位科學(xué)家史蒂芬·霍爾（Stefan W. Hell）、埃里克·貝茲（Eric Betzig）和威廉·莫納（William E. Moerner）因他們?cè)诔�高分辨顯微鏡技術(shù)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)然，新興最低光子數(shù)顯微成像（MINimal Photon FLUXes，MINFLUX）作為第四類超高分辨顯微鏡，也被更多的學(xué)者了解和關(guān)注。

超高分辨顯微鏡成像既利用了光學(xué)顯微成像原有的無(wú)損性質(zhì)（與電鏡高分辨成像相比），又可以很好地突破普通顯微鏡中衍射極限對(duì)成像分辨率的限制，因此其發(fā)明和發(fā)展對(duì)于生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究具有非常重要的意義。不同類型的超高分辨顯微鏡自問世后均被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域中，包括生命體細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的探索以及疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制等。不過(guò)，不同類型的超高分辨顯微鏡由于空間分辨率、時(shí)間分辨率、光漂白和光損傷等諸多問題，實(shí)際應(yīng)用中各有利弊。雖然成像技術(shù)發(fā)展很快，但技術(shù)限制依舊存在，如何獲得更高的空間分辨率、更深的成像深度和更快的時(shí)間分辨率以滿足更精確更快生物過(guò)程的研究依舊任重道遠(yuǎn)。

 

2、不同類型的超高分辨顯微鏡介紹

 

2.1結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（SIM）

SIM技術(shù)的前身可以追溯到20世紀(jì)70年代初。當(dāng)時(shí)，光學(xué)學(xué)家特奧多爾·赫普恩（Theodor Häupl）首次提出了使用周期性光柵照明來(lái)提高顯微鏡分辨率的想法。這奠定了SIM技術(shù)的基礎(chǔ)，盡管當(dāng)時(shí)還沒有實(shí)體的SIM顯微鏡。21世紀(jì)初期，SIM技術(shù)開始廣泛傳播，吸引了生物學(xué)家和顯微鏡專家的關(guān)注，它是一種相對(duì)低成本的超高分辨率成像方法，因?yàn)樗�不需要昂貴的激光設(shè)備或復(fù)雜的樣品準(zhǔn)備。

SIM本質(zhì)是激發(fā)光透過(guò)可橫向移動(dòng)的光柵產(chǎn)生正弦條紋圖案照射樣品，正弦條紋照明圖案與樣品本身的信息疊加形成莫爾條紋，將樣品結(jié)構(gòu)中的高空間頻率信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭赏ㄟ^(guò)物鏡收集的較低空間頻率信息，最后通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理得到樣品的高分辨圖像。SIM的單幅原始圖像的采集速度只取決于樣品的熒光信號(hào)強(qiáng)度和探測(cè)器的采集速度，通常只需要采集9幀原始圖像，與基于點(diǎn)掃描成像的STED和需要采集幾萬(wàn)幀原始圖像的SMLM相比，要快得多，基本可以達(dá)到實(shí)時(shí)觀察。但SIM受其成像原理的制約，最多只能將橫向分辨率提升為傳統(tǒng)顯微鏡的2倍（即100 nm左右），因此分辨率遠(yuǎn)不及其他超高分辨顯微鏡技術(shù)。但SIM對(duì)熒光探針沒有光開關(guān)或抗淬滅的特殊需求，其最大的優(yōu)勢(shì)也是寬場(chǎng)成像速度快，所以更多更廣泛地應(yīng)用在活細(xì)胞成像領(lǐng)域。

2.2單分子定位顯微鏡（SMLM）

單分子定位顯微鏡中熒光標(biāo)記的單個(gè)分子被分別激發(fā)和檢測(cè)，可以極高的精度確定單分子的中心從而實(shí)現(xiàn)高分辨率，包括光敏定位顯微鏡（Photoactivation Localization Microscopy，PALM）和隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微鏡（Stochastic Optical Reconstruction Microscopy，STORM）。

PALM的歷史可以追溯到2006年，由埃里克·貝茲（Eric Betzig）和哈拉爾德·赫斯（Harald Hess）提出了單分子定位這一概念。同期STORM的成像技術(shù)也發(fā)展起來(lái)，代表是華人科學(xué)家莊小威。STORM和PALM工作原理類似，都是通過(guò)特殊的分子標(biāo)記和隨機(jī)活性化，實(shí)現(xiàn)單分子定位進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像。在SMLM成像中，光開關(guān)熒光蛋白（PALM）或閃爍染料（STORM）扮演著重要角色，它們?cè)?ldquo;開態(tài)”和“關(guān)態(tài)”間可以相互轉(zhuǎn)換，處于開態(tài)時(shí)可被激發(fā)產(chǎn)生熒光，而處于關(guān)態(tài)時(shí)不發(fā)射熒光。在每一個(gè)成像周期內(nèi)隨機(jī)只讓一小部分熒光團(tuán)打開，其余熒光團(tuán)暫時(shí)關(guān)閉，這樣每一幅圖像中熒光團(tuán)的光斑不會(huì)重疊，可以高精度地定位出每個(gè)熒光團(tuán)的位置。重復(fù)這個(gè)過(guò)程，使每個(gè)周期內(nèi)都隨機(jī)打開一部分熒光團(tuán)，這樣可以在不同時(shí)間點(diǎn)捕獲標(biāo)記物的位置，通過(guò)記錄標(biāo)記物的位置可以得到它們的坐標(biāo)，獲得足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)可將所有的定位信息疊加起來(lái)，就能重構(gòu)出一幅超分辨圖像。這種以成像時(shí)間換取空間分辨率的形式，使得PALM或STORM的分辨率通常能夠達(dá)到數(shù)十納米。

2.3受激發(fā)射損耗顯微鏡（STED）

德國(guó)科學(xué)家Stefan W. Hell于1994年首次理論上提出STED顯微鏡的概念，并在2000年進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。STED超高分辨技術(shù)的基礎(chǔ)原理是利用受激發(fā)射效應(yīng)減小有效熒光發(fā)光面積，即在STED顯微成像中，通過(guò)使用一個(gè)激發(fā)光束和一個(gè)環(huán)形的耗損光束，使得熒光分子的激發(fā)區(qū)域比阿貝衍射極限更小。耗損光束通過(guò)受激發(fā)射將外圍的熒光分子去激發(fā)，只留下中心區(qū)域的熒光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的分辨率。我們也叫它“甜甜圈”技術(shù)。STED成像技術(shù)可以通過(guò)非線性效應(yīng)提高分辨率，即其分辨率與STED“甜甜圈”損耗光強(qiáng)有關(guān)，提高“甜甜圈”光的強(qiáng)度可以使熒光光斑焦點(diǎn)中心直徑縮小，但是實(shí)際應(yīng)用中，光損傷較大，“甜甜圈”光強(qiáng)不可能無(wú)限增加，顧其分辨率最高可達(dá)到30nm左右。此外，STED成像技術(shù)還包括對(duì)光束進(jìn)行精確調(diào)制、校準(zhǔn)和掃描，以及采用高性能探測(cè)器進(jìn)行成像，加之其“甜甜圈”光毒性、光淬滅等問題比較明顯，STED技術(shù)對(duì)熒光染料和封片劑的抗淬滅要求較高。

近年來(lái)，得益于新的硬件革新及技術(shù)手段的引入、熒光染料和探針的改進(jìn)、光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化和更精確的成像算法等，STED技術(shù)在分辨率和應(yīng)用方面都有了顯著提升，發(fā)展為易用、穩(wěn)定的成熟商業(yè)產(chǎn)品，逐步成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中重要的研究工具。STED技術(shù)結(jié)合熒光壽命成像更是發(fā)揮了降低損耗光強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)、打破相近波長(zhǎng)染料不可共染的限制，進(jìn)一步降低了光漂白、提高了分辨率。

2.4最低光子數(shù)顯微成像（MINimal Photon FLUXes，MINFLUX）

STED技術(shù)的發(fā)明人Stefan W. Hell于2017年在Science上發(fā)表了他的又一個(gè)突破性技術(shù)——最低光子數(shù)顯微成像（MINimal Photon FLUXes，MINFLUX）。在實(shí)際成像中，激光功率不可能無(wú)限高，熒光基團(tuán)的穩(wěn)定性（抗光漂白性）也不可能無(wú)限好，所以很多超分辨技術(shù)的實(shí)際分辨率是沒辦法達(dá)到理論最佳值的，但MINFLUX不是靠檢測(cè)盡可能高的熒光強(qiáng)度作為目的，而是以檢測(cè)到盡可能低的熒光信號(hào)為目標(biāo)。MINFLUX技術(shù)結(jié)合了單分子定位顯微鏡（SMLM）和STED顯微鏡的優(yōu)勢(shì)，能以高達(dá)10kHz的頻率跟蹤分子運(yùn)動(dòng)，每100μs分辨一次分子運(yùn)動(dòng)，比傳統(tǒng)方法快100倍，并能獲得1 - 3nm（3D）的空間分辨率，可解析單分子微小結(jié)構(gòu)，因此也被稱為顯納鏡。

在MINFLUX跟蹤中，環(huán)形激發(fā)光束（這里的甜甜圈光束是激發(fā)光束，而不是擦除光束）圍繞單個(gè)熒光團(tuán)掃描，根據(jù)在特定位置測(cè)量的強(qiáng)度，計(jì)算熒光團(tuán)的精確坐標(biāo)，并在下一次迭代之前將掃描圖案重新定位在該位置。保持熒光團(tuán)靠近光束的暗中心活動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)高定位精度并將光漂白作用最小化。通過(guò)有效利用單個(gè)熒光團(tuán)的有限光子預(yù)算，MINFLUX實(shí)現(xiàn)了成像的高空間分辨率和熒光團(tuán)跟蹤的高時(shí)間分辨率。

 

3、STED在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用

在生命科學(xué)領(lǐng)域，STED技術(shù)以其優(yōu)異的空間分辨率成為科學(xué)家們研究亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)及蛋白定位的強(qiáng)有力工具。肌動(dòng)蛋白微絲、微管、線粒體和核孔復(fù)合物等細(xì)胞結(jié)構(gòu)也被選為常用的標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)檢驗(yàn)超高分辨成像系統(tǒng)的分辨率。STED超高分辨技術(shù)可以揭示核孔復(fù)合物（nuclear pore complex, NPC）在早期G1期的蛋白質(zhì)組成，并使通過(guò)NPC輸出和輸入信使核糖核蛋白復(fù)合物和肽的可視化成為可能（Ashkenazy-Titelman et al., Nat Commun., 2022; Shi et al., Proc. Natl Acad. Sci., 2017）。由于DNA復(fù)制、修復(fù)和轉(zhuǎn)錄的動(dòng)力學(xué)不能用電子顯微鏡來(lái)闡明，因此，核內(nèi)染色質(zhì)的研究特別受益于新型STED兼容的DNA探針的發(fā)展。此外，一些染色質(zhì)亞結(jié)構(gòu)，如環(huán)、彎或超線圈，不能用傳統(tǒng)的衍射受限的熒光顯微鏡來(lái)分辨。用YOYO-1標(biāo)記的λ噬菌體DNA進(jìn)行STED成像，可分辨DNA的彎曲和扭曲，并證明其足以分辨長(zhǎng)度相近的片段（相差約100bp）（Persson et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2011; Kim et al., Anal. Bioanal. Chem., 2016）。與Hoechst偶聯(lián)的遠(yuǎn)紅染料可以顯示異染色質(zhì)排斥區(qū)（直徑約155 nm） 或有絲分裂染色體的DNA環(huán)（Hell et al., Chem. Sci., 2019; Spahn et al., Nano Lett., 2019）。

 

線粒體內(nèi)膜在不同生理?xiàng)l件下可發(fā)生重塑，STED超高分辨技術(shù)曾展示了人類細(xì)胞中相鄰的嵴連接（crista junctions, CJs）以可逆和平衡的方式動(dòng)態(tài)地相互作用和分離，使用不同的蛋白標(biāo)記或兩種親脂性內(nèi)膜特異性染料對(duì)嵴膜（cristae membranes, CM）進(jìn)行染色，進(jìn)一步揭示了嵴經(jīng)歷了連續(xù)的膜重塑循環(huán)，這些事件伴隨著不同嵴內(nèi)膜電位隨時(shí)間的波動(dòng)，作者利用多種技術(shù)提出了一個(gè)CJ動(dòng)力學(xué)模型，該模型在機(jī)制上與CM重塑相關(guān)，代表了在單個(gè)線粒體內(nèi)發(fā)生的嵴膜分裂和融合事件（Kondadi et al., EMBO reports, 2020）。結(jié)合STED超高分辨技術(shù)以及電子顯微技術(shù)，Gemmink等首次顯示了在人體骨骼肌切片中，PLIN2和PLIN5（perilipin 2和perilipin 5）并不是共定位，而是分別并排定位于細(xì)胞內(nèi)脂滴（Intramyocellular lipid droplets , LD）的不同膜位點(diǎn)，PLIN5除了位于細(xì)胞質(zhì)外，還位于線粒體附近以及線粒體和脂滴的相互作用位點(diǎn)，支持PLIN5參與促進(jìn)脂肪酸從LD釋放，用于線粒體脂肪氧化的觀點(diǎn)，PLIN2和PLIN5的空間分布，將有助于我們理解生理和病理生理?xiàng)l件下的肌細(xì)胞脂滴脂解（Gemmink et al., BBA - Molecular and Cell Biology of Lipids,  2018）。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）由相互連接的膜片和小管組成，超高分辨率顯微鏡發(fā)現(xiàn)了密集排列、快速移動(dòng)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管，被傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡誤認(rèn)為是膜片，這也說(shuō)明了在活細(xì)胞中以高時(shí)空分辨率重新審視內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的經(jīng)典觀點(diǎn)的重要性。Schroeder等利用活細(xì)胞STED成像首次在活細(xì)胞中測(cè)定了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管和膜片的納米級(jí)尺寸，揭示了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的納米孔的存在，并表明膜片中的納米孔不同于均勻膜片和ER矩陣（Nixon-Abell et al., Science. 2016），而是代表了組成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)子域的膜結(jié)構(gòu)局部連續(xù)體的元素，這與教科書中對(duì)ER膜片和小管的定義不同，作為活細(xì)胞中ER的膜特征，納米孔提供了一個(gè)更全面的ER結(jié)構(gòu)視圖，這可能有助于我們未來(lái)理解ER結(jié)構(gòu)與疾病之間的關(guān)系（Schroeder et al., J. Cell Biol. 2018）。

STED超高分辨技術(shù)還助力理解細(xì)胞代謝狀態(tài)變化如何導(dǎo)致細(xì)胞器相互作用重新連接的關(guān)鍵。Jang等發(fā)現(xiàn)饑餓誘導(dǎo)的內(nèi)體募集MTM1（在人類x連鎖中央核肌病中突變的磷脂酰肌醇3-磷酸[PI(3)P] 3-磷酸酶）損害了腎小管內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜與早期內(nèi)體之間PI(3)P依賴的接觸形成，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管轉(zhuǎn)化為片層，抑制線粒體分裂和持續(xù)的氧化代謝，揭示了細(xì)胞適應(yīng)波動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中早期內(nèi)體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)接觸位點(diǎn)在線粒體形態(tài)和功能中的作用（Jang et al., Science. 2022）。從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)輸?shù)礁郀柣�體的跨膜蛋白，干擾素基因刺激因子（Stimulator of interferon genes, STING），被蛋白激酶TBK1磷酸化從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，STED超高分辨技術(shù)揭示了網(wǎng)格蛋白相關(guān)接頭蛋白復(fù)合物1（AP-1）將磷酸化的STING分類到網(wǎng)格蛋白包被的運(yùn)輸囊泡中，并將其運(yùn)送到內(nèi)溶酶體系統(tǒng)以降解和終止信號(hào)傳導(dǎo)（Liu et al., Nature. 2022）。

在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，STED技術(shù)被廣泛應(yīng)用于研究神經(jīng)元突觸的結(jié)構(gòu)和功能。例如Kedia等將培養(yǎng)的小鼠原代海馬神經(jīng)元及腦片用于觀察神經(jīng)元單個(gè)興奮性突觸及其區(qū)域內(nèi)蛋白質(zhì)的快速動(dòng)態(tài)過(guò)程，評(píng)估納米尺度的神經(jīng)組織異質(zhì)性，提供了對(duì)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能的新見解。在多種AD模型鼠的幫助下，他們發(fā)現(xiàn)淀粉樣蛋白形成機(jī)制的主要成分（amyloid precursor protein，APP，和分泌酶）被離散地組織成局部濃度較高的納米結(jié)構(gòu)域，并且這種局部改變特征成為阿爾茨海默病中的淀粉樣蛋白生成的決定性因素（Kedia et al., iScience, 2021; Kedia et al., STAR Protocols, 2021）。

STED超高分辨技術(shù)還被用于研究成熟樹突狀細(xì)胞（dendritic cells, DCs）捕獲HIV病毒，作者發(fā)現(xiàn)DCs的活化導(dǎo)致免疫球蛋白樣凝集素受體CD169 （Siglec-1）在特定的質(zhì)膜區(qū)域形成納米團(tuán)簇，增強(qiáng)了受體對(duì)攜帶唾液酸配體的神經(jīng)節(jié)苷脂的限制性濃度的親和力，與HIV-1顆�；蚝�神經(jīng)節(jié)苷脂的脂質(zhì)體結(jié)合后，Siglec-1納米聚簇和以RhoA活性下降為特征的整體肌動(dòng)蛋白重排增強(qiáng)，從而促進(jìn)病毒顆粒在單個(gè)囊樣間隔內(nèi)的最終積累（Gutiérrez-Martínez et al., Elife, 2023）。STED還有助于理解黏著斑、緊密連接和初級(jí)纖毛的關(guān)鍵蛋白的排列及功能（Spiess et al., J. Cell Biol., 2018; Mangeol et al., Elife, 2022; Yang et al., Methods Mol Biol., 2016）

超高分辨顯微鏡可以探索微觀世界的無(wú)限可能性，已經(jīng)徹底改變了科學(xué)研究的方式。在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域，它被用于研究亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如微絲、微管、肌動(dòng)蛋白等，細(xì)胞器如線粒體、溶酶體等，分子分布和細(xì)胞膜動(dòng)態(tài)、觀察蛋白質(zhì)的相互作用；在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，它可用于觀察神經(jīng)元的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和突觸的細(xì)節(jié)，有助于解剖和理解神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，以及神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病的機(jī)制；在癌癥研究領(lǐng)域，被用于研究癌細(xì)胞的特征、蛋白質(zhì)分布以及腫瘤微環(huán)境，這對(duì)于癌癥的早期診斷和治療規(guī)劃非常重要；在材料科學(xué)領(lǐng)域，它被用于研究納米材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、幫助科學(xué)家精確控制和制備納米結(jié)構(gòu)；在藥物研發(fā)領(lǐng)域，它可用于研究藥物靶標(biāo)蛋白的定位和與其他分子的相互作用，助力藥物設(shè)計(jì)和篩選；在微生物領(lǐng)域，規(guī)避了電子顯微鏡無(wú)法進(jìn)行活體成像等弊端，可以更加推進(jìn)微生物學(xué)發(fā)展。隨著未來(lái)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，STED將在揭示生命現(xiàn)象的微觀機(jī)制方面展現(xiàn)出更大的潛力，STED技術(shù)將朝向更高的成像速度、更深的成像深度以及更廣的應(yīng)用范圍發(fā)展。

 

4、未來(lái)和展望

超高分辨顯微鏡的成像原理基于破解傳統(tǒng)顯微鏡的分辨極限，通過(guò)結(jié)構(gòu)照明、圖像重建和單分子成像等策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小結(jié)構(gòu)的高分辨率成像。超高分辨顯微鏡雖已取得了顯著的應(yīng)用突破，然而仍存在挑戰(zhàn)，包括技術(shù)的精進(jìn)、多模態(tài)成像、樣品準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性。

超高分辨成像技術(shù)通常需要高度復(fù)雜的設(shè)備和精密的校準(zhǔn)，這使得其設(shè)備成本相對(duì)較高，若能降低設(shè)備成本，加上開源軟件和自動(dòng)化工作流程的使用，將使超高分辨成像技術(shù)更易于使用和共享。超高分辨技術(shù)通常對(duì)于三維成像和大樣本的深度成像有限制，需要克服分辨率和深度之間的權(quán)衡。同時(shí)超高分辨成像的時(shí)間分辨率還可以繼續(xù)提升，雖然目前SIM和MINFLUX更適合觀察活細(xì)胞動(dòng)態(tài)過(guò)程，但時(shí)間分辨率的提高仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于極短時(shí)間尺度的大視野或多點(diǎn)實(shí)時(shí)成像，能夠更深入地探索微觀世界并獲得更多信息。在科學(xué)研究的需求下，多模態(tài)或多尺度成像將與不同的超高分辨技術(shù)相結(jié)合，例如，結(jié)合光學(xué)成像和質(zhì)譜成像，從分子水平到組織水平提供生命活動(dòng)更全面的信息；也可以發(fā)展高通量的樣品處理和成像技術(shù)，以便更快速地獲得大規(guī)模的數(shù)據(jù)。

樣品準(zhǔn)備在超高分辨成像中具有重要作用，新的標(biāo)記技術(shù)和熒光探針的發(fā)展將提高成像的靈敏度和特異性，開發(fā)更友好、無(wú)損傷的樣品準(zhǔn)備方法，甚至包括無(wú)標(biāo)記成像技術(shù)以減少樣品標(biāo)記的需求，獲將更為便利。

超高分辨成像數(shù)據(jù)可能受到噪聲和偽跡的影響，這需要高級(jí)的圖像處理技術(shù)來(lái)減少其影響，以獲得準(zhǔn)確的圖像。超高分辨成像生成的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸、處理和分析這些大數(shù)據(jù)需要強(qiáng)大的計(jì)算資源和高效的算法。深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)有望在數(shù)據(jù)分析中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理和實(shí)時(shí)解釋和反饋圖像數(shù)據(jù)。

總的來(lái)說(shuō)，盡管超高分辨成像面臨一些挑戰(zhàn)，但其前景充滿希望。未來(lái)，我們可以期待更多技術(shù)的發(fā)展，以進(jìn)一步提高分辨率和擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，如更高分辨率、更高靈敏度和更快成像速度和更大更深的成像范圍。超高分辨顯微鏡的應(yīng)用也將繼續(xù)擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，為我們解決更多重要問題，如疾病機(jī)制、藥物研發(fā)、個(gè)性化醫(yī)學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)健康等。超高分辨顯微鏡技術(shù)的未來(lái)展望是光明的，它將繼續(xù)推動(dòng)科學(xué)研究向前邁進(jìn)，揭示微觀世界的微小奧秘，為改善生活質(zhì)量和解決全球挑戰(zhàn)做出貢獻(xiàn)。

*專家意見， 僅做參考，不代表徠卡立場(chǎng)

 

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