Недавно Лаборатория современной микроскопии Института приборостроения ХПУ добились прорыва в прогрессе в области оптических технологий визуализации микроскопии сверхвысокого разрешения. Исследовательская группа увеличила разрешение структурированного светового микроскопа со 110 до 60 нанометров в условиях низкой фототоксичности, что позволило получить долговременную сверхбыструю визуализацию живых клеток со сверхвысоким разрешением. 16 ноября результаты исследования были озаглавлены «Разреженная деконволюция улучшает разрешение флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения живых клеток» (Sparse deconvolution improves the resolution of live-cell super-resolution fluorescence microscopy) и опубликованы в интернете в виде длинной статьи в журнале Nature Biotechnology, коэффициент цитируемости которого достиг 54,908 в 2020, журнал публикует только инженерные технологии, которые сделали серьезные прорывы в области биологии).
Результаты исследования, в основном, были достигнуты благодаря сотрудничеству между Институтом приборостроения ХПУ и Институтом будущих технологий Пекинского университета. ХПУ является первыми вузом в авторстве статьи. Докторант ХПУ Чжао Вэйсун, постдокторанты Пекинского университета Чжао Шицюнь и Ли Люцзюй являются первыми соавторами статьи. Доцент Ли Хаоюй ХПУ и профессор Чен Лянъи из Пекинского университета – соавторы-корреспонденты статьи, профессор Лю Цзянь и академик Тан Цзюбинь являются соавторами статьи и руководителями научно-исследовательской группы ХПУ. Совместные подразделения также включают Государственный наноцентр Китайской академии наук, Институт биофизики Китайской академии наук и Уханьский университет.
Разрешающая способность микроскопических инструментов представляет собой предел исследования науки человеком. В 2014 году Нобелевская премия по химии была присуждена трем ученым, добившимся важных достижений в области флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения. Команда Института современных приборов микроскопии ХПУ предложила алгоритм визуализации компьютерной микроскопии, который может преодолеть предел оптической дифракции, используя прямую физическую модель флуоресцентной визуализации и теорию сжатого зондирования и сочетая двойные ограничения разреженности и пространственно-временную непрерывность. Создана общая технология разреженной деконволюции в рамках решения, которая преодолевает аппаратные ограничения существующей системы оптической микроскопии сверхвысокого разрешения и расширяет временное и пространственное разрешение и частотный спектр.
Исходя из этого, исследовательская группа разработала систему сверхбыстрого структурированного светового флуоресцентного микроскопа со сверхвысоким разрешением (Sparse-SIM), которая обладает характеристиками сверхвысокого разрешения, высокой пропускной способности, неинвазивности и низкой токсичности. В условиях высокоскоростной визуализации она имеет разрешение более 60 нм и обеспечивает динамическую визуализацию живых клеток в течение длительного времени более 1 часа. Команда впервые наблюдала два характерных канала слияния в процессе секреции островков поджелудочной железы. Впервые линейный структурированный световой микроскоп был использован для наблюдения кольцевых комплексов ядерных пор и ямок, помеченных разными белками, которые можно только различить в нелинейных условиях. Кроме этого, исследователи также продемонстрировали использование технологии визуализации для анализа динамической сети актина, быстрого поведения лизосом и липидных капель глубоко в клетках, а также зарегистрировали тонкое относительное движение между внутренней и внешней мембранами двухцветного объекта митохондрии.
На основе физических и химических методах в этой работе, впервые была предложена универсальная модель, которая преодолевает предел оптической дифракции с вычислительной точки зрения и реализована принципиальная инновация от 0 до 1 нанометра. В настоящее время это микроскопический прибор сверхразрешения с самым высоким разрешением (60 нм), самой быстрой скоростью (564 кадра в секунду) и самым длительным временем визуализации (более 1 часа) в оптической микроскопии живых клеток. Было также доказано, что техническая база подходит для большинства современных модальностей системы визуализации флуоресцентных микроскопов, может достичь почти вдвое более стабильного улучшения пространственного разрешения и обеспечивает новое поколение биомедицинских инструментов визуализации с высоким разрешением для точной медицины и новых исследований и разработок лекарств, что позволяет значительно ускорить высокоточную характеристику моделей заболеваний в будущем.
