生物光学成像，生物学成像是什么意思

来源:DeepTech深度科技

“希望Open-3DSIM能成为下一代3DSIM的重建标准，也能为生物学研究提供更便捷的工具。”北京大学教授彭说。

(来源:Nature Methods)据报道，结构照明显微镜(SIM)是对活细胞进行高分辨率长期观察的最有效工具。由于单层SIM具有快速、简单的优点，所以之前的研究大多基于单层2DSIM，如fairSIM、HiFi-SIM等软件，或者Polar-SIM、DMD-SIM等硬件。然而，2DSIM的轴向分辨率仅为500nm左右，是其横向分辨率的5倍。

于是，彭和团队将目光投向了多层3DSIM领域，着手搭建3DSIM的硬件平台。然而，当他们重建自己系统的3DSIM数据时，发现3DSIM领域缺乏一个通用的、用户友好的重建平台。

此前，3DSIM算法要么集成在尼康公司的N-SIM或GE公司的OMX等闭源商用系统中，要么基于传统的Weiner-3DSIM，不够人性化，伪影严重。在单层SIM卡领域，彭研究组此前提出了一个开放式SIM卡重构平台。相关国际同行使用fairSIM、HiFi-SIM、Hessian-SIM等软件。但由于细胞往往具有或厚或薄的三维结构，2DSIM在实际成像中往往存在非常严重的离焦背景。

与此同时，随着国内SIM技术的兴起，一些国际顶级SIM影像系统公司出于商业原因决定退出市场，这对于现有的3DSIM系统用户来说无异于一场“灾难”。

因此，彭的团队决定开始开发高保真的3DSIM开源算法。他们还对参数估计和频谱滤波这两个关键步骤进行了大幅改进，使Open-3DSIM的重建效果可以超越商用系统OMX和传统的Weiner-3DSIM。特别是在低信噪比的情况下，Open-3DSIM有着极佳的重建效果，重建伪影也可以大大减少。此外，他们还引入了荧光偶极子的取向信息，可以在重建后一键提取图像的偏振取向信息，从而创建了六维成像模态。这种成像模式具有水平/垂直超分辨率、长时间、多色和偶极取向的特点，可为生物学的多维研究提供新的方法。

与以往开源算法不同的是，他们为斐济开发了Open-3DSIM的MATLAB和Exe三个版本，开放代码和样本数据，方便生命科学研究者、斐济用户、软硬件开发者等不同用户角色。

而且Open-3DSIM并不局限于单一的显微镜平台，可以广泛应用于OMX、N-SIM等商用系统，以及各种自制的3DSIM硬件系统。对于收集到的数据，Open-3DSIM可以进行额外的深入分析。由于Open-3DSIM采用模块化编程，可以兼容各种反卷积/去噪算法，可以为3DSIM算法的进一步发展打下坚实的基础。

(来源:自然方法)

(来源:Nature Methods)接下来，彭和他的团队希望在结构光、活细胞和超分辨率领域进一步开发新的成像技术。

首先，他们研究了很多结构光的成像方法，但一般都是使用杨氏双缝干涉的二维结构光。通过引入三光束干涉，可以实现本工作中描述的三维结构光。那么，能否通过光场调控实现更复杂的光场呢？并达到更好的超分辨率？这是课题组希望回答的问题。

其次，对活细胞的研究意味着它是一个无时无刻不在变化和运动的物体。对于超分辨率成像，分辨率越高，运动越显著。那么，如何在极短的时间内捕捉到生命活动的过程呢？如何克服运动带来的神器？这些都是活细胞拍照时不可避免的问题。

第三，超分辨率显微成像技术起源于二十多年前。相关学者十年前获得诺贝尔奖。下一步要解决“看得更清楚”和“看得更快”的矛盾，以及如何与冷冻电镜、基因组学、转录组学、蛋白质基因组学等其他领域的技术相结合。

另据报道，北京大学学者多年来在超分辨率成像方面颇有建树。对此，彭说:“我觉得首先是北大人的家国情怀和勇争第一的精神。超分辨率显微术本身就是追求生命活动成像在空间分辨率和时间分辨率上的不断突破。”

北京大学未来科技学院由北京大学于2022年4月成立。其主要研究方向为:分子医学、生物医学工程、成像、大数据和人工智能。

超分辨率显微镜恰好是一个非常令人兴奋的场所，彭的研究小组一直在与国际同行合作和“赛跑”，推出一个又一个里程碑。此外，在国家有关部门的支持下，北京大学率先在北京怀柔建立了多模态、跨尺度的生物医学影像中心，投入大量的资金和人力，开发各种多模态、跨尺度的影像技术和方法。“这个平台为我们提供了优秀的设备和资金来源，可以更好地开展研究。”彭说:

他继续说道:“而且，为了顺应国家在高等教育上‘突破五个人才’和服务产业升级的号召，北大未来理工非常重视技术的产业化。以超分辨率显微镜为例，我们在高端显微镜的国产化方面做了很大的努力。专家学者开始注重产学结合，将学术成果商业化、产业化。”相关高端显微镜产品，如北京艾瑞科技研发的Polar-SIM、广州超视科技研发的HIS-SIM等，在国内外产生了非常重要的影响。“我们也深刻认识到，产学研结合可以相互促进，互利共赢，这将使我们在高端超分辨率显微镜领域有一个坚实的发展。”彭说:

参考文献:1。曹，r，李，y，陈，x。等。开放-3DSIM:一个开源的三维结构照明显微重建平台。Nat方法20，1183–1186(2023)。https://doi.org/10.1038/s41592-023-01958-0