Nature Biotechnology：西湖大學章永登團隊開發(fā)超分辨顯微鏡，實現(xiàn)各向同性納米級成像

編輯丨王多魚

排版丨水成文

如果把細胞比作一個精密運轉(zhuǎn)的 “微觀宇宙”，那么超分辨顯微鏡就是幫助科學家繪制這片宇宙“星圖”的關鍵工具。單分子定位顯微鏡（ SMLM ）因具備納米級分子定位能力，已成為生命科學研究中的重要成像手段。然而，這類技術長期面臨一個核心瓶頸：分辨率各向異性。也就是說，它在橫向成像上足夠清晰，但在軸向，也就是上下方向，分辨率通常比橫向差 2–3 倍。對于許多具有復雜三維形態(tài)的細胞結(jié)構(gòu)而言，這意味著它們往往難以被完整、準確地解析。

為突破這一限制，傳統(tǒng) 4Pi-SMLM 技術利用兩個相對放置的物鏡進行干涉探測，大幅提升軸向定位精度，從而實現(xiàn)接近各向同性的三維成像。盡管性能出色，這一方案卻長期受制于復雜的光路設計、極高的調(diào)試要求以及昂貴的硬件和維護成本，因此一直難以走出少數(shù)頂尖實驗室。如何在保留 4Pi 高精度優(yōu)勢的同時，顯著降低系統(tǒng)門檻，始終是該領域亟待解決的重要問題 。

2026 年 3 月 31 日，西湖大學生命科學學院章永登團隊（ 博士生于紫荊、助理研究員鄭貝博士為論文共同第一作者 ）在Nature Biotechnology期刊發(fā)表了題為：Mirror-enhanced 4Pi-SMLM with one objective enables isotropic nanoscale imaging 的研究論文。

該研究開發(fā)了一種新型超分辨顯微技術：鏡面增強 4Pi 單分子定位成像技術（me4Pi-SMLM）。該技術巧妙地用一面反射鏡替代了傳統(tǒng) 4Pi 系統(tǒng)中的第二個物鏡，在大幅簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低硬件成本和維護難度的同時，實現(xiàn)了與傳統(tǒng)雙物鏡 4Pi-SMLM 相當?shù)母呔热S成像能力，為納米尺度生物成像提供了一個更易用、更穩(wěn)健的新平臺。

me4Pi-SMLM的核心創(chuàng)新在于，將原本復雜的“雙物鏡干涉”架構(gòu)，轉(zhuǎn)化為更簡潔的“單物鏡 + 反射鏡”設計（圖1）。在這一系統(tǒng)中，激發(fā)光經(jīng)物鏡照射樣品后，會被樣品上方的反射鏡再次反射回樣品區(qū)域，從而在軸向形成可調(diào)控的干涉條紋。研究團隊進一步利用快速壓電促動器對反射鏡進行毫秒級調(diào)節(jié)，連續(xù)采集不同相位下的圖像。這個過程如同為分子定位增加了一把更精密的“立體標尺”，使系統(tǒng)能夠更準確地解析單個熒光分子的三維空間坐標。正是這面看似簡單的鏡子，使系統(tǒng)的軸向定位精度提升了約 5 倍。

圖1：me4Pi-SMLM原理與性能驗證

為了驗證技術性能，研究團隊對微管、核孔復合物和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等典型亞細胞結(jié)構(gòu)進行了成像（圖2）。結(jié)果顯示，me4Pi-SMLM 不僅能夠清晰分辨微管的中空結(jié)構(gòu)，還能夠精準重建核孔復合物高度有序的雙環(huán)排布，并解析內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中細微而復雜的片層與管狀網(wǎng)絡，展現(xiàn)出優(yōu)異的三維超分辨成像能力。

圖2：me4Pi-SMLM解析亞細胞結(jié)構(gòu)

在此基礎上，研究團隊進一步實現(xiàn)了雙色成像，可同時觀察不同細胞結(jié)構(gòu)之間的空間關系。例如，在微管與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的雙色成像中，兩種結(jié)構(gòu)邊界清晰、互不混淆；在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的成像中，系統(tǒng)成功揭示了彼此緊鄰的亞結(jié)構(gòu)差異。這一能力使研究人員能夠更直觀地探究細胞器之間的相互作用與組織關系。針對較厚樣本的成像需求，研究團隊還在系統(tǒng)中引入了像散編碼，實現(xiàn)了對更大深度范圍內(nèi)分子的準確定位。借助這一設計，研究人員在細胞全尺度上對聯(lián)會復合體和線粒體網(wǎng)絡進行了三維成像，在不同空間方向和不同深度上都獲得了清晰結(jié)果。即使面對深度達 4.5 微米的全細胞樣本，me4Pi-SMLM 依然保持了穩(wěn)定的高精度定位能力，顯示出優(yōu)異的全細胞三維重建潛力。

更重要的是，me4Pi-SMLM 的應用并不局限于固定樣品，還可進一步拓展到活細胞成像、三維單分子追蹤以及厚組織成像等多個方向。在活細胞實驗中，該技術實現(xiàn)了 40-60 納米分辨率的三維動態(tài)觀測；在單分子追蹤中，達到了 6 納米定位精度和 9 毫秒時間分辨率；在小鼠腦組織切片中，其三維分辨率依然優(yōu)于 15 納米，展現(xiàn)出良好的組織成像前景。

這項研究的重要意義，不僅在于“看得更清”，更在于“更容易用”。與傳統(tǒng) 4Pi 系統(tǒng)相比，me4Pi-SMLM 顯著降低了系統(tǒng)復雜度、維護難度和硬件成本，同時還具備良好的兼容性和升級潛力：現(xiàn)有 3D-SMLM 平臺只需增加反射鏡和壓電促動器，就可以升級到 4Pi 級別的三維成像精度。該成果有望推動高精度三維超分辨成像從少數(shù)高門檻平臺走向更廣泛的生命科學研究場景，為細胞生物學、神經(jīng)科學以及疾病機制研究提供新的觀察工具。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41587-026-03083-7