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结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy)——一种简单易操作的超分辨率成像技术
2018/06/0797

作者:王瑾瑜 

超分辨率技术近年来不断的被大家提及,而且广泛的运用在生物的各个领域。目前超分辨率成像技术主要分为三大类,第一种是基于单分子定位的PALM/ STORM技术,第二种是基于受激发射淬灭的STED技术,第三种就是基于结构光照明成像的SIM技术。 

虽然我们知道STED技术和PALM/STORM技术在空间分辨率上有非常高的提升(可达到20-50nm的分辨率),但是他们也有明显的缺点:样品需要很强的激发光来照射。这样不仅使我们的荧光蛋白或分子漂白,还会产生大量的自由基损伤活细胞样品。很难运用普通的荧光蛋白或分子成像及活细胞成像。相反,SIM成像可以有效的利用荧光分子发出的光子,大大降低所需的照明功率。在传统荧光显微镜及confocal下成像的样品均可运用SIM成像,另外也是活细胞超分辨成像的一个利器。 

SIM的成像技术是利用利用空间有结构的光束来激发荧光,激发图形和荧光团密度的混合频率,将样品中通常不可见的高频信息携带到显微镜的可见低通频带;通过改变图案的方向和相位,记录荧光结果并对得到的多个图像数据集进行适当的处理,提取携带的高频信息并重建出超分辨率图像。SIM XY分辨率理论上可以达到传统荧光显微镜的两倍。(原理我就简单说说,对具体细节感兴趣的同学可以直接参考Mats Gustafsson的文献)

到这里,我要再次重复一下SIM超分辨成像的优势,对荧光蛋白或分子的要求少(基本上我们日常使用的荧光探针均可使用),时间分辨率高(可用作活细胞成像),荧光光子利用率高。在过去的十几年里,SIM技术已经广泛运用在细胞生理学、细胞动力学等亚细胞水平的研究中。三维结构光照明显微镜(3D-SIM)可在纵向不同层面上获取图像,通过一系列层析图像重构成3D图像。那我们接下来就看一下SIM的应用吧! 

从这里开始通过图片进行各种传统光学显微镜和SIM图像的对比,各种经典文章参考! 

先看看confocal和SIM的图像的对比吧! 

到目前为止,运用SIM成像技术发表的文章不胜枚举,想到这里,就不得不提一篇2008年Lothar Schermelleh这篇关于细胞核、核纤层和核孔复合物的3D-SIM成像。他不仅直观的对比了confocal和SIM的图像,还增加了反卷积后的图像。 

SIM成像技术在细胞生物学领域的应用主要分为两个方面:

第一,观察样品的结构特征;植物或动物的亚细胞结构、蛋白共定位等。 

下面这篇文章是运用SIM成像技术,对烟草细胞的胞间连丝进行成像(Super-Resolution Imaging of Plasmodesmata Using Three-Dimensional Structured Illumination Microscopy) 

下面这一篇是观察疟原虫裂殖性孢子(绿色)在入侵时,肌动蛋白(红色)的结构。 

再给大家看看三维动态的结构 

第二,活细胞的动态观察。 

下图是运用SIM成像技术对线粒体的三维动态成像。 

下面这篇文章主要是运用SIM成像技术对细胞内亚细胞结构的双色3D-SIM活动态图(Time-lapse two-color 3D imaging of live cells with doubled resolution using structured illumination) 

这样的案例太多太多了,看到眼花缭乱,欢迎大家前来咨询、实验。 


本文章版权归清华大学生物医学测试中心尼康影像中心所有

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