研究人员实现了大视场高速超分辨率成像

借助显微镜的大视野，可以同时获取多个细胞的超分辨率图像。图片来源：比勒费尔德大学 Henning Ortkrass

研究人员开发出一种荧光显微镜，利用结构照明在宽视场范围内快速进行超分辨率成像。这种新型显微镜可同时对多个活细胞进行高分辨率成像，用于研究各种药物和药物混合物对人体的影响。

"德国比勒费尔德大学的亨宁-奥特克拉斯（Henning Ortkrass）说："多药治疗--通常开给慢性病患者或老年人的多种药物组合的影响--可能导致危险的相互作用，并正在成为一个主要问题。"我们开发的这台显微镜是 EIC Pathfinder OpenProject DeLIVERy 项目的一部分，该项目旨在开发一个平台，用于研究个体患者的多重用药情况。

在《光学快报》（Optics Express）杂志上，研究人员介绍了他们的新型显微镜，该显微镜使用光纤传输激发光，可在非常大的视场范围内实现非常高的图像质量，并具有多色和高速功能。研究表明，该仪器可用于肝细胞成像，视场可达 150 x 150 μm2，成像速率高达 44 Hz，同时保持小于 100 nm 的时空分辨率。

"Ortkrass说："利用这种新型显微镜，可以在离体细胞上测试单个药物组合，然后进行超分辨率成像，观察细胞膜特征或细胞器的动态变化。"大视场可以提供有关细胞反应的统计信息，这些信息可用于改善个性化医疗保健。由于该系统的潜在尺寸较小，它还可用于高分辨率非常重要的临床应用。

研究人员开发了一种荧光显微镜，利用结构照明在宽视场范围内进行快速超分辨率成像。它还可用于多色和高速成像。图片来源：比勒费尔德大学 Henning Ortkrass

大视野高分辨率
新型显微镜基于超分辨结构照明显微镜（SR-SIM），该显微镜利用结构化的光模式激发样品中的荧光，实现超越光衍射极限的空间分辨率。SR-SIM 特别适用于活细胞成像，因为它使用低功率激发，不会伤害样品，同时还能生成高度精细的图像。

为了实现宽视场的高分辨率，新型显微镜从一组原始图像中重建超分辨图像。这些原始图像是通过使用一组六根光纤，以正弦条纹图案照射样品获得的。这使分辨率提高了两倍，同时还能实现快速成像，并与活细胞成像兼容。

"Ortkrass 说："光纤选择和相移是通过基于振镜和 MEMS 镜的全新设计的光纤开关来实现的。"我们还定制设计了一个六边形支架，可将六根光纤的光束准直并重新聚焦到显微镜中，以照亮一个大的 FOV 并对所有光束进行精确调整。这使得该装置可用于全内反射荧光激发（TIRF）-SIM，从而将荧光激发和检测限制在样品的薄区域内。

研究人员使用新的显微镜装置对固定的多色染色肝细胞进行成像。图像显示了细胞的微小膜结构，这些结构比光的衍射极限还要小。图片来源：比勒费尔德大学 Henning Ortkrass

肝细胞成像
由于肝脏是参与药物代谢的主要器官，研究人员使用固定的多色染色大鼠肝细胞样本对该装置进行了测试。利用新型显微镜生成的重建图像可以观察到小于光衍射极限的微小膜结构。

"Ortkrass 说："这种紧凑型系统独特地将大视野、快速图案切换速度与多色、高能效激发结合在一起。"此外，该装置还能获得极高的图像质量，并可进行调整，以执行 2D-SIM 或 TIRF-SIM。

下一步，研究人员计划将该显微镜装置应用于肝细胞的活细胞研究，以观察接受多种药物治疗的细胞的动态变化。他们还计划改进图像重建过程，以完成对获取的原始数据进行实时重建。

参考资料

Henning Ortkrass et al, High-speed TIRF and 2D super-resolution structured illumination microscopy with a large field of view based on fiber optic components, Optics Express (2023). DOI: 10.1364/OE.495353