超級分辨率全景集成技術(shù)應(yīng)用于細胞生物學(xué)、病理學(xué)和大規(guī)模診斷

超級分辨率顯微鏡技術(shù)近年來在生物醫(yī)學(xué)研究中扮演著越來越重要的角色，但傳統(tǒng)方法往往受限于復(fù)雜的硬件配置、低通量或繁瑣的后處理過程。2025年發(fā)表在《Nature Communications》上的論文《Real-time, high-throughput super-resolution microscopy via panoramic integration》提出了一種創(chuàng)新技術(shù)——超級分辨率全景集成（SPI），它通過多焦點光學(xué)重縮放、高內(nèi)容樣本掃描和同步線掃描讀出，實現(xiàn)了實時、高通量的亞衍射極限成像。SPI技術(shù)不僅將分辨率提升至傳統(tǒng)衍射極限的兩倍（約120納米），還能在保持常規(guī)設(shè)置的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)無擾動的連續(xù)成像，適用于大規(guī)模細胞種群分析。這項技術(shù)為細胞生物學(xué)、病理學(xué)和大規(guī)模診斷提供了實用工具，突破了光學(xué)和計算限制。

本論文由Kyungduck Yoon、Hansol Yoon、Kidan Tadesse、Zhi Ling、Biagio Mandracchia、Sayantan Datta、G.Ozan Bozdag、Anthony J. Burnetti、William C. Ratcliff和Shu Jia共同完成。于2025年10月在《Nature Communications》上在線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01SPI技術(shù)原理與系統(tǒng)表征
SPI技術(shù)的核心在于將光學(xué)光子重分配、高內(nèi)容樣本掃描和同步時間延遲集成（TDI）讀出相結(jié)合，形成一個簡化的epi-fluorescence顯微鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過同心排列的微透鏡陣列在照明和檢測路徑上收縮點擴散函數(shù)（PSF），從而在不損失光子的情況下將分辨率提升2倍，超越衍射極限。與傳統(tǒng)基于像素重分配的方法不同，SPI避免了復(fù)雜的掃描硬件和大量后處理，通過TDI傳感器實現(xiàn)線掃描讀出與樣本運動的實時同步，確保成像過程的連續(xù)性和即時性。

進一步通過非迭代快速Wiener-Butterworth（WB）反卷積處理，SPI實現(xiàn)了完整的2倍分辨率提升（約110納米），處理速度比傳統(tǒng)Richardson-Lucy反卷積快40倍（低至10毫秒），特別適合高通量圖像分析。在熒光點發(fā)射器測試中，SPI的即時TDI讀出產(chǎn)生了152±13納米的半高全寬（FWHM），明顯優(yōu)于傳統(tǒng)寬場圖像的292±29納米，驗證了其亞衍射極限性能。

通過對超過8萬個細胞的人口分析，SPI準(zhǔn)確量化了紅細胞（93.1%）、血小板（6.8%）和白細胞亞型（中性粒細胞49.3%、淋巴細胞38.8%、單核細胞11.9%），結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)血液學(xué)參考值高度一致。

在雪花酵母（Saccharomyces cerevisiae）的多細胞進化研究中，SPI進一步展示了其高可擴展性。通過標(biāo)記不同進化時間點的細胞組件（如PDC1、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和HSC82），SPI以超過10千赫茲的線讀出速率（92500平方微米/秒）生成即時亞衍射極限圖像，覆蓋毫米級視場而不失真。

定量分析顯示，在1000天的進化過程中，酵母細胞的平均長寬比從1.30增加至3.28，模塊大小從30.7微米增長至87.1微米，揭示了細胞形態(tài)和附著模式的協(xié)同進化，為多細胞生物學(xué)研究提供了高精度數(shù)據(jù)集。

創(chuàng)新與亮點
SPI技術(shù)的主要創(chuàng)新在于突破了傳統(tǒng)超分辨率顯微鏡的多個難題。首先，它通過多焦點光學(xué)重縮放和同步TDI讀出，實現(xiàn)了實時成像與高通量篩查的完美結(jié)合，避免了復(fù)雜掃描硬件（如旋轉(zhuǎn)盤或數(shù)字微鏡器件）的需求，簡化了儀器配置。其次，SPI提供了技術(shù)無約束的視場和連續(xù)穩(wěn)定的通量，能夠瞬時生成超分辨率圖像，無需計算重建延遲，這在高通量應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。例如，在血涂片和酵母進化研究中，SPI以毫米級尺度捕獲亞細胞細節(jié)，超越了傳統(tǒng)顯微鏡的靜態(tài)視場限制。

在光學(xué)成像方面，SPI的價值體現(xiàn)在其兼容性和可擴展性上。它基于常規(guī)epi-fluorescence平臺，易于集成到現(xiàn)有顯微鏡系統(tǒng)中，同時通過WB反卷積或潛在的無監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)進一步提升分辨率。這種靈活性使其適用于活細胞動態(tài)成像（如通過自發(fā)熒光探測）以及多種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如高通量篩查、成像流式細胞術(shù)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)。從生物醫(yī)療角度，SPI為大規(guī)模細胞分析（如血液診斷、進化生物學(xué)）提供了實用路徑，有望在病理學(xué)和大規(guī)模診斷中降低成本并提高效率。

總結(jié)與展望
SPI技術(shù)作為一種實時、高通量的超分辨率顯微鏡平臺，成功將分辨率提升至衍射極限的兩倍，同時保持簡化的儀器配置和最小后處理需求。通過實驗驗證，它在多種生物樣本中展現(xiàn)了優(yōu)異的成像性能，包括亞細胞結(jié)構(gòu)、大型細胞種群和多細胞進化過程。展望未來，SPI技術(shù)有望進一步整合光學(xué)和計算策略，如熒光壽命成像或深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，以擴展其應(yīng)用范圍。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它可能推動細胞生物學(xué)、病理學(xué)和大規(guī)模診斷的進步，為超越光學(xué)和計算限制的生物系統(tǒng)研究提供方法論支持。盡管當(dāng)前技術(shù)已具實用性，但未來工作可聚焦于提升成像均勻性和整合多模態(tài)技術(shù)，以充分發(fā)揮其潛力。

DOI:10.1038/s41467-025-64368-0.