科学家故事| HIS-SIM智能超灵敏超分辨显微镜原创技术的背后

创建时间:2022-06-18 12:00
 

生命观像台

 

 

 

1

看见生命

慧眼下微观世界的“生”“活”

此时此刻,身体里的37万亿个细胞,正在上演一幅微观世界版的清明上河图。

 

内质网这个结构精密的合成车间,正源源不断地生产出结构复杂的生物大分子;线粒体正开足马力,昼夜不停地为细胞提供“能源”;而那些小球状的溶酶体,正兢兢业业地“处理”着细胞运行产生的垃圾,维持着机体的生态。

 

如果能有一种面向活细胞的动态观测工具,使我们能够在空间尺度上“洞察秋毫”,在时间尺度上捕捉“瞬息流光”;那么,一切蕴藏于细胞的生命奥秘都将呈现于“慧眼”之下。

 

探究基于活细胞的超分辨显微成像技术,在活细胞水平上看清疾病发生发展的机制,为在活细胞水平上精准地筛选对症药物提供工具,是陈良怡教授一直在做的事情。

陈良怡教授和他的团队 

 

2018年,陈良怡教授团队自主研发了超灵敏海森结构光超分辨显微镜(Hessian-SIM),被成功用于一种罕见遗传病—“佩梅病”—的细胞病理学精准诊断和对症药物筛选。由于佩梅病本身“出生即死亡”的高致病率和隐秘的致病机理,曾令无数新生儿遭遇厄运。Hessian-SIM的出现,成功地帮助研究人员为之前无药可治的佩梅病找到了一种可能的对症药物,为无数新生儿患者家庭带来希望。Hessian-SIM于当年入选“中国光学十大进展”。

 

2

面对生命,永不停歇

突破活细胞成像的时空分辨率极限

对于陈良怡教授而言,他追求的不只是更快、更强,而是真正意义上的“突破”。2021年11月6日,陈良怡教授团队与合作者合力在nature biotechnology上发表文章,成功发明了一种与传统超分辨成像不同的数学/计算超分辨方法,将活细胞光学超分辨荧光显微成像的时空分辨率极限,突破至60nm/564Hz,能够以更快的速度追踪细胞内更精细结构的动态变化。

▲nature biotechnology原文

 

现在,一起来通过这项技术看下细胞里面的微观世界吧。

 

你看,胰岛素囊泡需要从胞浆中跑出来与细胞膜融合,释放其中储存的胰岛素。可以看见胰岛素囊泡首先打开一个直径为60-90nm的融合孔道,停留大约9.5ms释放胰岛素,然后这个囊泡就一去不复返,塌陷消失在细胞膜的汪洋大海中了。

 

一个大胆猜测呼之欲出,这个胰岛素囊泡融合孔道的变化是否会导致糖尿病发病时,胰岛素的分泌异常?确实,随之的实验发现高糖会使得胰岛素囊泡融合孔道变小,从而限制了胰岛素分泌的速度和数量。

 

 

 

显微成像技术的发展和天文望远镜及宇宙探索技术一样,拓宽了人类的视野,亦重新定义了人类认知的边界,一幅幅全新的生命图景将由此徐徐展开。陈良怡教授说,超分辨荧光显微成像技术解决的是细胞中的三个核心问题:我们就是要亲眼看到蛋白质从哪里来,到哪里去,跟谁见了面。

 

不断探索人类在微观世界的视野极限,让科研人员真正“眼见为实”,这就是一名显微成像研究人的使命———奔赴使命,永不停歇!

 

3

苦心孤诣,迎难而上

4轮审稿,192页回稿意见

从90纳米到60纳米,陈良怡教授团队的成果不仅仅只是对超分辨荧光显微成像技术的改进和提升,而是寻找突破光学衍射极限的另一条途径。

突破光学衍射极限 

 

 长期以来,超分辨荧光显微成像领域一直面临着两个根本性的“痛点”:

 

1. 超分辨的光毒性限制了观察活细胞中的精细生理过程;

2. 受限于荧光分子单位时间内发出的光子数,使得时间和空间分辨率不可兼得。

 

玩儿摄影的人都知道,拍摄运动目标物体的成像质量,取决于相机的快门速度和光圈大小。如果想捕捉瞬间的细微变化必须有很高的“快门速度”,那么势必要增大进光量(kW~MW/mm^2照明功率),由此引发的光漂白会破坏荧光结构的完整性,让拍摄图像走样;而降低照明功率,势必要延长曝光时间(>2s),这样又会导致运动伪影,使成像结果模糊而看不清楚。活细胞超分辨荧光显微成像的发展边界,似乎已经被光学硬件的物理瓶颈和荧光分子的化学发光数量所定义,难以实现真正的突破。

 

面临的这种情形,要想破局,唯有另辟蹊径。陈良怡教授团队与哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院李浩宇教授团队合作,创造性地提出了两步迭代解卷积算法(即稀疏解卷积sparse deconvolution)的设想。这项技术的基本原理,就是利用“荧光图像的分辨率提高等价于图像的相对稀疏性增加”这个通用先验知识,通过计算的方式找回“丢失”的信息以实现超分辨荧光显微成像,彻底规避光学系统本身的局限性,从而实现计算超分辨成像。

 

 

两步迭代解卷积算法原理

 

这是一项前景迷人却又过于大胆的创想,因此引起了各方的质疑。李浩宇教授回忆这项研究,“实验花了一年,投稿却用了一年半”。四轮审稿过程中的前三轮都不幸被拒,“我印象最深的是第二轮返给我们的拒稿信,十几页纸,92个问题”。

 

陈良怡教授和李浩宇教授在讨论将稀疏解卷积用于提高转盘共聚焦和微型双光子显微镜图像的分辨率

 

陈良怡教授在很多场合都讲过自己的并非一帆风顺的学术之路,但如此细致而严厉的质询仍然是连他也不曾面对过的挑战。开弓没有回头箭,惟有苦心孤诣,迎难而上。

 

实验科学讲求证据,为了说服同行,陈良怡教授的团队将这一方法应用在了不同模态的成像实验数据上,进行了海量的试验验证,最终提供了ground truth真值作为对照,有效地证实了稀疏解卷积算法的真实可靠。

 

凭着这些不容质疑的数据,团队逐条回复了那份92个问题的审稿意见,总共192页,“最终我们还是把‘这场仗’给打赢了,回答了每一个问题,最后文章被成功接收。” 2021年12月,陈良怡教授研究组与其合作者开展的“计算显微成像算法:活细胞60纳米和564赫兹荧光超分辨率成像”入选2021中国光学领域十大社会影响力事件,其后又在2022科技部主办的“首届全国颠覆性技术创新大赛”上获得总决赛优胜奖(在2724个参赛项目中获得36项最高奖),得到了学界的广泛认可和关注。

 

4

超越边界 ,跨界融合

跨尺度智能成像的未来图景

陈良怡教授所超越的不止是知识与技术的边界,还是学科与科研生态的藩篱。

 

陈良怡教授常说自己是“半路出家”的工程师,正是与脑科学研究人员共同工作的经历,让他把他们“看见大脑内部机制的诉求”作为自己毕生探索的方向。“我们实验室比较‘杂’,做什么的都有,有做图像处理的,也有做生理的,还有纯研究数学理论的。”这种跨学科的工作体验让他产出了更多灵感,也赋予了他对科研体系更深刻的观察。

 

在谈及目前正在建设中的生物成像“神器”——多模态跨尺度生物医学成像设施(简称成像设施)时,陈良怡教授充满了兴奋与期待。

 

“这是国内第一次把不同成像尺度的技术和人整合放在一起的,这不止是物理上的拼合,它会产生很多新的化学反应,甚至会像一个生命体一样不断进化。”

 

这套综合性的跨尺度研究平台能帮助我们在器官、组织、细胞甚至mRNA、蛋白质等多个维度和层级上综合侦测机体病理,实现前所未有的一体化分析,“像我们实验室还有胰岛素的分泌调控、学习与记忆等领域,一定能在成像设施建设起来以后有更长足的发展。”

超分辨显微镜的存在的重要意义就是为了揭示疾病的发生发展机制

 

工欲善其事,必先利其器。陈良怡对未来生物医学成像技术的研究还有着更宏远的设计——他想做一套智能显微镜。

 

“现在其实要用显微镜很不方便,有很多要手动操作的地方。比如你要去选个菜单,曝光时间多少,亮度是多少,采集哪块区域的哪个细胞才好,都需要人工调试。更别说我们活细胞长时间的观测,常常是几小时计的,需要实验员一直在旁边控制着,非常地费时费力。”

 

在陈良怡教授的描述里,智能显微镜就像是自动驾驶的汽车,显微镜与人工智能结合后,可以通过训练形成自驱动成像存储流程,“我觉得这是最好的。”

Sparse通用计算成像技术带来无限可能

 

 

王安石在《游褒禅山记》中写道:"而世之奇伟、瑰怪,非常之观,常在于险远,而人之所罕至焉。"。

陈良怡教授相信,生命,细胞,还有太多未被探知的终极奥秘,我们终将看到,我们必须看到。

 

 

 

*注:本文来自北大成像 生物医学公众号文章挑战不可能!一起来看细胞街景的超高清“直播”,并有改动。

 

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