【学术快报】陈良怡、施可彬课题组合作发明超分辨荧光辅助衍射层析技术，观察到细胞器互作全景图和新细胞器

2020年1月28日，北京大学分子医学研究所、IDG/麦戈文脑科学研究所陈良怡课题组与物理学院的施可彬课题组合作，将三维无标记光学衍射层析显微成像与二维海森结构光超分辨荧光成像技术相结合，发明了一种新的双模态超分辨率显微镜。该新技术被命名为超分辨荧光辅助衍射层析技术（SR-FACT），让科学家首次看到细胞内真实全景超分辨率图像。相关成果以“Super-resolution fluorescence-assisted diffraction computational tomography reveals the three-dimensional landscape of the cellular organelle interactome”于1月28日发表在国际高水平期刊《Light: Science & Applications》上（https://www.nature.com/articles/s41377-020-0249-4），并已经申请了相关专利。

图1. COS-7细胞分裂过程的无标记光学衍射层析三维成像结果（视频）。

受限于较宽的发射光谱、光漂白和光毒性,目前的超分辨荧光成像技术仅能对有限几种荧光标记同时成像，同时也很难实现活细胞中的三维长时程超分辨率成像。另一方面，无标记成像可以实现无损三维成像，但是它也受限于低空间分辨率和对比度，另一方面缺乏特异标记也限制了它的生物医学应用。为了克服这些瓶颈，北京大学跨院系团队通力合作，研发出来的SR-FACT成像技术同时具备超高分辨率、足够对比度和三维成像能力，能够实现活细胞双模态超分辨率成像。其中荧光超分辨分辨率优于100纳米，而无标记三维成像的分辨率为XY方向200 纳米，Z方向500纳米左右；在40 × 40 × 20 μm³的视场中，双模态活细胞超分辨率成像的时间分辨率可以达到0.8 Hz。

图2. 六种细胞器在SR-FACT下的共定位成像结果。

应用SR-FACT，他们证明无需标记就可以同时高速三维成像活细胞内线粒体、脂滴、核膜、染色体、内质网及溶酶体等多种细胞器的结构、动态以及相互作用的全景图，并在多种细胞中都鉴定出来一种新的亚细胞结构，命名为“黑色液泡小体（dark-vacuole bodies）”，在细胞器互作网络中起到中心作用，并参与细胞衰老过程。这些结果也展示了SR-FACT在细胞生物学研究及生物医学成像领域的广泛应用前景，例如无标记、长时间、三维超分辨率的观察细胞内的相分离过程，细胞间外泌体通讯，细胞内吞过程以及病毒入侵等过程。

图3. 同一黑色液泡小体分别协调与线粒体、溶酶体以及脂滴的结合和分离。

输

论文第一作者北京大学博士后董大山，博士后黄小帅和博士研究生李柳菊，通讯作者是物理学院的施可彬研究员和分子医学所的陈良怡教授，合作者还包括数学学院毛珩老师和中科院动物所刘光慧研究员。该项工作得到国家自然科学基金，国家重点研发专项，北京市自然科学基金，国家博士后创新人才计划，中国博士后科学基金和北京大学高性能计算校级公共平台的支持。

研究组介绍

陈良怡

北京大学分子医学研究所教授、

细胞分泌与代谢研究室主任

北京大学麦戈文脑科学研究所PI

实验室研究兴趣：

我的研究兴趣主要有三个方面：一是研发新的成像技术，在细胞水平上聚焦于开发活细胞低光毒性高速三维超分辨率成像手段，在小型模式动物上聚焦于开发大视场高分辨率双光子光片成像手段，在小鼠等哺乳动物活体成像聚焦于微型化双光子、以及深层成像的三光子成像等手段。第二，基于活细胞超分辨率成像数据，结合自主开发的深度学习等图像压缩和分析手段，我希望建立“单细胞动态细胞器互作组学”，更好的揭示不同神经细胞种类以及同一细胞的命运演化过程和连续中间状态。最后，利用大视场高分辨率双光子光片等成像技术，我希望聚焦在斑马鱼全脑水平神经回路的组织和连接机制以及学习和记忆过程中发生的变化。  

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北京大学IDG麦戈文脑科学研究所

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