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徐平勇课题组开发新型光调制的超分辨成像方法

日期:2023-04-20  浏览次数:7537

来源:大屯路15号

光开关荧光蛋白(RSFP)是一种可以通过调制激光,以可逆方式开关的荧光蛋白。利用RSFP在不同采样时间点的不同荧光状态(开或关),对每个像素的荧光信号进行时间或空间相关性分析,可以显著提高图像的信噪比和对比度。超分辨率光学波动成像 (SOFI)及其变体光致变色随机光学波动成像(pcSOFI),利用可逆光开关荧光蛋白(RSFP)的随机光开关的延时图像进行了荧光涨落相关分析,是超高分辨率成像的重要工具。相对于其它基于复杂光学系统的成像方法(例如SIMSTED等),pcSOFI无需复杂的光学设备或专业知识,可通过计算图像序列的n阶自相关累积量,实现√n倍数分辨率的提升。同时SOFIPALM/STORM更快,适用于一系列活细胞SR成像应用。然而,pcSOFI通常使用500-2000帧来重建具有可接受保真度的SR图像,这限制了SOFI成像在活细胞中的应用。减少重构的原始帧数可以提高pcSOFI的时间分辨率,但代价是波动的累积不足,导致空间分辨率降低、信息丢失和不连续伪影。

202347日,中国科学院生物物理研究所徐平勇课题组在Fundamental Research杂志在线发表"SOGO-SOFI, light-modulated super-resolution optical fluctuation imaging using only 20 raw frames for high-fidelity reconstruction"文章。该研究提出了一种通过调制RSFP的光学开关来产生荧光图像变化的新方法,从而产生荧光涨落,以改善单位时间单位像素上的荧光涨落信号,提高pcSOFI的分辨率。研究策略是首先将所有荧光分子调制到激活状态,然后在记录荧光信号的过程中依次异步关闭它们,从而得到具有不同数量和荧光分子局部分布的图像时间序列。荧光分子分布随时间变化产生较大的荧光波动,可以显著增加单位时间内单个像素波动的积累,从而提高SOFI的时间分辨率,减少最终重建SR图像的不连续。

该研究利用内质网的活细胞成像表明,与pcSOFI相比,SOGO-SOFI能够提高10倍的时间分辨率(100 fps)并且产生更少的伪影。此外,SOGO-SOFIAiryscan的结合进一步将图像Airyscan的分辨率从140 nm提高到91 nm,提高了1.5倍。最后通过哺乳动物细胞中核仁蛋白的双色成像和厚脑切片(20.6 µm)中内质网结构的深度成像进一步证明了SOGO-SOFI的能力。


1SOGO-SOFI设计流程图

中国科学院生物物理研究所徐平勇课题组张名姝研究员和徐平勇研究员为本文的共同通讯作者,薛福东助理研究员和贺文婷工程师为共同第一作者。该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金和中科院先导专项等经费支持

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325823000882?via%3Dihub