Nat Commun｜香港科技大学开发出细胞内动力学成像的单帧超分辨率显微镜方法

以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者辣梨鸭

活细胞荧光成像需要低光毒性照明和高成像速度。不过，荧光显微镜、结构化照明显微镜、受激发射损耗显微镜、单分子定位显微镜等都存在各自的局限性。由于需要对数千帧的单分子荧光事件进行分离，这显著增加了图像采集时间和光毒性，阻碍了对瞬时细胞内动力学的观察。

如何在空间和时间分辨率、可实现的信号强度和细胞毒性之间进行权衡呢？

2023年5月18日，来自香港科技大学的姚舒怀团队及其合作者开发了基于深度学习的单帧超分辨率显微镜（SFSRM）方法。相关研究结果发表在Nature Communications上，题为“Single-frame deep-learning super-resolution microscopy for intracellular dynamics imaging”。在可容忍的信号密度和可承受的信噪比（SNR）下，SFSRM可实现时空分辨率为30nm和10ms的高保真活细胞成像，实现了亚细胞动力学的长期监测，如线粒体和内质网之间的相互作用、沿微管的囊泡运输以及内体融合和分裂。

https://doi.org/10.1038/s41467-023-38452-2

为了实现高频细节重建，研究人员探究了如何使用感知损失和对抗性损失进行微观图像恢复，提出了一个多分量损失函数（Fig. 1a）。SFSRM方法利用亚像素边缘图和多分量优化策略，来引导神经网络从衍射受限图像的单帧重建超分辨率图像，可以从低信噪比图像中精细地恢复图像（Fig. 1b）。

Fig. 1. SFSRM的架构。

考虑到荧光成像过程中信号密度和强度的变化，研究人员系统地评估了SFSRM信号密度和强度范围内的分辨率和准确性。网络在不同SNR和信号密度下可实现一定的分辨率（Fig. 2a）。由线条的强度分布所示，两个微管75 nm之间的距离在SFSRM重建结果中可以被解析（Fig. 2d），证明了SFSRM优越的精细结构重建能力。

Fig. 2. SFSRM的性能概述。

随后，研究人员进一步对SFSRM在更多亚细胞结构上的性能进行了基准测试，包括线粒体外膜、内质网（ER）、表皮生长因子受体（EGFR）蛋白和2.5倍扩增后的核孔复合物蛋白（Fig. 3a）。结果表明，SFSRM可以通过克服超分辨率显微镜的限制，将不同类型的低分辨率图像转换为超分辨率图像。

Fig. 3. SFSRM适用于不同的亚细胞结构、成像系统和光谱。

得益于卓越的图像重建能力，SFSRM在低照度（Fig. 4a）下可以对超过5000帧的ER动力学进行长期观察，而不会出现ER网格的明显收缩或荧光信号的漂白，且没有发现明显的伪影（Fig. 4b）。综合其他细胞器中的结果，证实了SFSRM可实现毫秒时间分辨率的活细胞超分辨率成像。

Fig. 4. SFSRM能够在活细胞中以毫秒时间分辨率进行数千帧的非侵入性超分辨率成像。

综上所述，研究人员开发的SFSRM可以从活细胞获取的低分辨率图像中进行单帧超分辨率重建，分辨率提高可达10倍，显示出对噪声损坏的卓越鲁棒性。SFSRM与不同活细胞成像系统的耦合提高了光子预算有限的荧光显微镜的时空分辨率，因此SFSRM成为结合了超分辨率显微镜和实时活细胞成像优点的强大工具。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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