一種結合QIS相機和開普勒望遠鏡啟發(fā)的光學設計的新型顯微鏡技術

生物發(fā)光成像作為熒光成像的有力替代方案，因其無需激發(fā)光源、背景低、光毒性小等優(yōu)勢，在活細胞研究中具有巨大潛力。然而，生物發(fā)光信號強度弱，限制了其廣泛應用。傳統(tǒng)生物發(fā)光顯微鏡通常犧牲空間分辨率、視場和動態(tài)范圍來提升靈敏度，主要受限于電子倍增電荷耦合器件（EMCCD）相機的性能。近期，量子圖像傳感器（QIS）技術的出現(xiàn)為低光成像帶來了新機遇。本文介紹了一種結合QIS相機和開普勒望遠鏡啟發(fā)的光學設計的新型顯微鏡——“QIScope”。該系統(tǒng)在保持較高信噪比的同時，顯著提升了空間分辨率、視場和動態(tài)范圍，使生物發(fā)光成像能夠用于挑戰(zhàn)性活細胞實驗，如同時監(jiān)測細胞內(nèi)外的囊泡動態(tài)或低豐度蛋白質的動力學過程。這一突破為長時程、高精度活細胞成像提供了新工具。

本研究成果由Ruyu Ma、Luciano M. Santino、Tomás Chobola、Niklas Armbrust、Julian Geilenkeuser、Sapthagiri Sukumaran、Zhizi Jing、Anastasia Levkina、Korneel Ridderbeek、Tingying Peng、Dong-Jiunn Jeffery Truong、Sebastian Doll、Gil Gregor Westmeyer和Jian Cui等研究者共同完成。論文題為“A telescopic microscope equipped with a quanta image sensor for live-cell bioluminescence imaging”，于2025年《Nature Methods》期刊上在線發(fā)表。該研究通過創(chuàng)新光學設計解決了生物發(fā)光成像的長期瓶頸，為生物醫(yī)學研究開辟了新路徑。

重要發(fā)現(xiàn)
01核心貢獻：QIS相機的靈敏度超越傳統(tǒng)探測器
研究團隊首先對QIS相機與主流科學相機進行了系統(tǒng)基準測試。比較對象包括科學互補金屬氧化物半導體（sCMOS）相機和EMCCD相機，這些相機長期以來被視為低光成像的金標準。實驗在相同的自制熒光顯微鏡平臺上進行，通過中性密度濾光片調(diào)節(jié)光子通量 per pixel，確保公平比較。結果顯示，在相同光子條件下，QIS相機的信噪比（SNR）達到EMCCD的4.5倍、sCMOS的近10倍。這一優(yōu)勢在量子點標記的小鼠胚胎成纖維細胞成像中得到驗證，QIS相機能清晰分辨弱信號結構，而傳統(tǒng)相機則出現(xiàn)模糊或噪聲干擾。

然而，QIS相機的小像素尺寸和有限傳感器面積帶來了新挑戰(zhàn)：直接替換到傳統(tǒng)顯微鏡會導致光子通量 per pixel 大幅下降，視場嚴重縮小。例如，QIS傳感器面積僅為20.25 mm²，比sCMOS（224.28 mm²）小10倍以上，比EMCCD（67.11 mm²）小3倍以上。這表明，單純使用QIS相機不足以發(fā)揮其潛力，必須重新設計光學系統(tǒng)以匹配其特性。

與商業(yè)頂級生物發(fā)光顯微鏡（基于EMCCD）的直接對比顯示，QIScope的視場擴大3.6倍（可視面積提升13倍），空間分辨率提高1.77倍（理論值1.89倍），且信噪比提升31%。調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）分析證實了分辨率的優(yōu)勢。此外，QIScope的動態(tài)范圍比EMCCD系統(tǒng)高4.5倍，避免了信號飽和問題，使其能同時捕捉強弱信號區(qū)域。

更重要的是，QIScope實現(xiàn)了細胞外囊泡（EVs）的高質量成像。EVs是細胞間通信的關鍵載體，但其異質性（尺寸從納米到微米、動態(tài)范圍廣）使成像極具挑戰(zhàn)。在表達NLuc-CD63（外泌體標記）的小鼠胚胎成纖維細胞中，QIScope能清晰分辨細胞外線性軌跡中的小EVs，并跟蹤其擴散動態(tài)（時間分辨率達2秒），而傳統(tǒng)系統(tǒng)僅能檢測到大EVs。通過去噪算法（如Noise2Info）進一步提升了圖像質量。此外，QIScope的長時程成像能力（超過18小時）避免了光毒性和探針光漂白，適用于持續(xù)監(jiān)測。

在低豐度蛋白質成像方面，QIScope成功記錄了PTEN誘導激酶1（PINK1）的線粒體易位過程。PINK1在受損線粒體上穩(wěn)定表達，但其基礎水平極低。傳統(tǒng)顯微鏡難以分辨其亞細胞分布變化，而QIScope結合高分辨率物鏡（100×油鏡）清晰顯示了PINK1從胞質到線粒體的轉運，為神經(jīng)退行性疾病研究提供了新洞察。

創(chuàng)新與亮點
01突破成像難題：兼顧靈敏度、分辨率與視場
生物發(fā)光成像的核心難題在于如何平衡靈敏度、空間分辨率和視場。傳統(tǒng)系統(tǒng)往往以犧牲某一參數(shù)為代價，例如EMCCD相機雖靈敏度高，但動態(tài)范圍窄、易飽和；sCMOS相機雖分辨率高，但低光性能不足。QIScope通過量子圖像傳感器的高轉換增益和低噪聲特性，實現(xiàn)了單光子級別檢測，同時望遠鏡光學設計解決了小傳感器帶來的視場限制。這一創(chuàng)新使系統(tǒng)在信噪比適度提升的基礎上，大幅突破分辨率與視場瓶頸，為活細胞成像提供了“魚與熊掌兼得”的解決方案。

02技術價值：多模態(tài)集成與長時程成像優(yōu)勢
QIScope的模塊化設計允許輕松集成其他成像模式。例如，通過在望遠鏡組中插入分光鏡和濾光片，實現(xiàn)了生物發(fā)光與熒光雙模態(tài)成像。實驗顯示，同一細胞中CD63標記的EVs（生物發(fā)光）與MitoTracker標記的線粒體（熒光）可被同時監(jiān)測，且無背景干擾。這種多模態(tài)能力擴展了應用場景，如研究代謝狀態(tài)或藥物響應下的細胞器互作。

相比熒光成像，生物發(fā)光在低豐度目標檢測中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在誘導表達Gamillus-NLuc融合蛋白的細胞中，熒光信號在低表達水平時被自體熒光掩蓋，而生物發(fā)光信號仍清晰可辨。此外，長時程成像中，熒光探針易光漂白并引發(fā)光毒性，導致細胞形態(tài)改變；生物發(fā)光則穩(wěn)定性高，支持超過18小時的連續(xù)觀測，適用于動態(tài)過程研究（如PINK1易位）。

總結與展望
本研究開發(fā)的QIScope系統(tǒng)通過融合量子圖像傳感器與望遠鏡光學設計，成功提升了生物發(fā)光成像的性能，使其在靈敏度、分辨率、視場和動態(tài)范圍上均優(yōu)于傳統(tǒng)方法。該系統(tǒng)不僅解決了低光成像的長期挑戰(zhàn)，還通過多模態(tài)集成和長時程穩(wěn)定性，為活細胞研究提供了強大工具。未來，隨著更亮熒光素酶底物（如氟呋喃嗪）的應用，QIScope的信噪比和分辨率可進一步提升；同時，其開放架構便于整合單光子陣列探測器或新一代QIS相機，拓展時間飛行成像等新功能。展望未來，QIScope有望成為生物發(fā)光成像的標準平臺，促進其在精準醫(yī)療、藥物開發(fā)和基礎生物學中的廣泛應用，最終實現(xiàn)與蛋白質組學或電鏡等技術的無縫融合。

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
Ma R, Santino LM, Chobola T, Armbrust N, Geilenkeuser J, Sukumaran S, Jing Z, Levkina A, Ridderbeek K, Peng T, Truong DJ, Doll S, Westmeyer GG, Cui J. A telescopic microscope equipped with a quanta image sensor for live-cell bioluminescence imaging. Nat Methods. 2025 Jun;22(6):1321-1330.

DOI:10.1038/s41592-025-02694-3.